Vývoj chřipky: Jak vědci používají sekvenování genomu k prognóze budoucnosti

Evoluce je obvykle velmi pomalá, proces změny, který trvá tisíce nebo miliony let.

Ale pro chřipku je evoluce rychlá - a smrtelná. Chřipkové viry se rychle mění, aby unikly obraně těla. Každých několik let se objevují nové varianty chřipky a způsobují epidemie na celém světě.

Ovládání šíření chřipky znamená řešení tohoto probíhajícího vývoje. Každý rok musí odborníci ze Světové zdravotnické organizace (WHO) co nejlépe odhadnout, jak se virus změní, aby si vybrali, které chřipkové kmeny zahrnou do každoroční vakcíny.

Tato práce je obtížná a nejistá a chyby mají skutečné následky. Celosvětově chřipka infikuje každoročně několik milionů lidí a způsobuje stovky tisíc úmrtí. V letech, kdy předpovědi chybí značka a chřipka záběr je velmi odlišný od cirkulujících kmenů, více lidí je náchylných k infekci.

V posledních několika letech pokroky v sekvenování genomu začaly vrhat světlo na počátky vývoje virů, hluboko v rámci jednotlivých infekcí. Přemýšleli jsme, zda by nám tyto informace pro chřipku mohly poskytnout první pohled na budoucí globální vývojové trendy.

Co by mohla infekce chřipky jedné osoby říct o tom, jak se virus mění na celém světě? Jak se ukazuje, překvapivé množství.

Při pohledu hluboko uvnitř infekce

Každý krok vývoje chřipky začíná chybou. Jelikož se viry kopírují v infikované osobě, občas mutují a vytvářejí malé změny svého genetického plánu.

Většina mutací je pro virus škodlivá, protože rozbíjejí strojní zařízení, které potřebují k fungování. Ale každý tak často přežívá mutantní virus a dokonce se mu daří. Viry hrají konstantní hru koček a myší s lidským imunitním systémem. Někdy může být mutantní virus dostatečně odlišný, aby unikl oznámení těla.

Mutantní virus s takovou výhodou se může rychle množit a dominovat infekci. Nakonec se může dokonce šířit z člověka na člověka a odtud se začít šířit po celém světě.

V poslední době je snazší sledovat, jak se v lidském těle mění viry. Stejné pokroky, které z něj učinily levné a snadno sekvenovatelné lidské genomy, mění způsob, jakým studujeme viry. Pro náklady na sekvenování jediného lidského genomu můžeme sekvenci tisíců virů z celé infekce sledovat nové mutace, jak vznikají.

Tyto mutace nám mohou ukázat, jak virus reaguje na náročné prostředí lidského těla. U HIV, kde infekce často trvají roky nebo dokonce desetiletí, může být vývoj podstatný, dokonce i v rámci jedné osoby. Viry často vyvolávají rezistenci na léčivo v reakci na antivirovou léčbu.

Sledování chřipkové evoluce ve 4 dlouhých infekcích

Nedávno jsme sledovali vývoj viru u čtyř pacientů s rakovinou, kteří měli několikaměsíční chřipkové infekce. Většina infekcí chřipky trvá přibližně týden, což omezuje množství změn, které mohou nastat. Ale u pacientů se slabým imunitním systémem mohou infekce trvat dlouho a mají vážné účinky.

Jak se chřipka změnila v těchto dlouhých infekcích? Sekvenováním virů z různých časů během infekce a porovnáním jejich genomů jsme byli schopni identifikovat nové mutace a sledovat jejich osudy.

Evoluce fungovala během několika týdnů. Jedním z jasných příkladů byl odpor vůči Tamiflu. Pacienti, které jsme studovali, užívali lék ke kontrole infekcí. Ale stejně jako v předchozích studiích se nakonec objevily viry nesoucí mutace rezistence na léky. Tyto mutace mohou částečně vysvětlit, proč infekce trvala tak dlouho.

Mutace rezistence na léky nebyly jediné evoluční změny, které jsme viděli. Polovina tuctů mutantních virů, které se od sebe navzájem mírně liší, by někdy v jedné osobě konkurovala současně.

Tyto konkurenční viry dělaly evoluci komplikovanou záležitost. Mutace, která se začala šířit jeden týden, by někdy vyhynula další. Pravděpodobně byla překonána ještě lepší mutací.

V některých případech jsme v naší studii našli přesně stejné mutace u virů od různých pacientů, i když jsme mohli zjistit, že se pacienti neinfikovali. Jen velmi zřídka očekáváme, že se takové podobnosti stanou náhodou. Viry mohou narazit na podobné adaptace v reakci na evoluční výzvy. Některé z těchto mutací mohou pomoci viru vyhnout se imunitnímu systému, což je v souladu s jinými studiemi.

Prognóza budoucnosti

Navíc mnoho mutací v těchto pacientech odpovídalo mutacím, které se později rozšířily po celém světě. V bodech vnějšího pláště chřipky, které pomáhají viru vstoupit do hostitelských buněk, se mutace N225D objevila u tří ze čtyř pacientů v naší studii. Do roku 2015, asi 8 let poté, co byli naši pacienti nakaženi, většina chřipkových virů po celém světě provedla přesně stejnou změnu.

Pro nás to bylo nečekané. Evoluce je plná kompromisů a některé mutace, které pomáhají chřipce přizpůsobit se lidem, mohou zpomalit její přenos z člověka na člověka. Také jsme nevěděli, zda by vývoj v takových neobvykle dlouhých chřipkových infekcích odpovídal změnám ve světě.

V naší studii však vývoj chřipky u jednotlivých lidí ukázal pozoruhodnou podobnost s evolucí po celém světě. Viděli jsme náznaky některých globálních vývojových trendů jen v několika málo jedincích.

Jak se technologie nadále zlepšují, je snazší se dívat hluboko do chřipkových infekcí, jako my. WHO laboratoře sekvenci chřipkové kmeny z tisíců lidí každý rok sledovat vývoj chřipky. Výzkumní pracovníci sekvenují stále více kmenů způsoby, které nám umožňují zachytit mutace tak, jak vznikají v rámci jednotlivých lidí.

Každá z těchto tisíců infekcí je jako samostatný evoluční experiment. Porovnáním mutací, které se objevují v různých infekcích, můžeme získat pocit evolučních možností a omezení.

Někde dolů, tento druh informací může pomoci předpovědět vývoj chřipky. Prozatím alespoň odkrývá některé dynamické evoluční procesy, které probíhají v každém z nás.

Tento článek byl původně publikován na Konverzaci Katherine Xue a Jesse Bloom. Přečtěte si originální článek zde.