Ученый предположил, когда прекратятся мутации коронавируса
- 14.08.2021, 18:31
Анализ эволюционных уловок вируса.
Ученые сгенерировали более двух миллионов геномных последовательностей вируса SARS-CoV-2, что позволяет нам препарировать мельчайшие эволюционные изменения до такой степени, которая ранее была невозможна для любого биологического возбудителя болезни за пределами лаборатории, пишет профессор Эд Фейл для The Conversation (перевод — nv.ua).
Что это говорит нам о мутациях и штаммах? Мутации являются главным двигателем эволюции, позволяющим естественному отбору происходить. Некоторые мутации полезны для организма и могут распространиться среди видов. Другие вредны или имеют незначительные последствия. Они возникают из-за ошибок, когда геном копируется при репликации вируса, в результате чего один нуклеотид (каждый из них имеет буквенный код) заменяется другим.
Геном SARS-CoV-2 состоит из 30 тыс. нуклеотидов. Скорость возникновения мутаций обычно выражается вероятностью того, что любой отдельный нуклеотид будет ошибочно заменен при репликации генома. Согласно последним экспериментальным данным, которые еще не опубликованы в научном журнале, такая вероятность составляет около трех на миллион.
Учитывая такой темп, мы можем спросить, сколько мутаций может возникнуть каждый раз, когда кто-то заражается. Умножая 30 тыс. на вероятность 3 к 1 млн, мы получаем в общей сложности около 0,1 мутаций каждый раз, когда геном реплицируется.
Заболевание достигает своей кульминации на 5−7 день, в течение этого времени вирус обычно завершает от трех до семи «циклов репликации» (фазы жизненного цикла вируса, начинающейся с прикрепления к клетке-хозяину и заканчивающейся воссозданием копий и выхода из клетки вновь синтезированных вирусных частиц). Пять циклов репликации приведут к примерно 0,5 мутациям (5x0.1), или к одной новой мутации на двух зараженных людей.
Другой подход заключается в использовании данных последовательности генома. Поскольку каждая последовательность генома взята у другого инфицированного человека, эти данные позволяют нам рассчитать скорость, с которой мутации накопились в глобальной вирусной популяции, а не в пределах одного заражения. Сравнивая данные о последовательности с исходным «эталонным» геномом (самым ранним геномом вируса), мы можем подсчитать, сколько мутаций накопилось в каждом геноме. Затем мы можем увидеть, как быстро число мутаций увеличивается с течением времени.
Это говорит нам о том, что глобальная популяция вирусов накапливает в среднем примерно одну мутацию каждые две недели — уровень, аналогичный тому, который наблюдается у одного инфицированного человека.
Чтобы сравнить этот уровень мутации, стоит отметить, что геном человека подвергается примерно 0,05 мутаций каждые две недели. На первый взгляд, это не так отличается от SARS-CoV-2 (только в 20 раз медленнее), однако представьте, что геном человека в 100 тыс. раз больше, что делает скорость мутации на нуклеотид примерно в 2 млн раз быстрее в вирусе, чем у человека.
Таким образом, SARS-Cov-2 прошел такое же количество мутационных эволюционных изменений за все время пандемии (пропорционально размерам генома), как и Ноmо habilis (Человек умелый) за 2,5 млн лет.
Новые варианты
Описанные выше расчеты относятся к числу мутаций, ожидаемых в линии от одной вирусной частицы к другой и т. д. Чтобы определить общее количество мутаций, возникающих во время инфекции, нам также необходимо учитывать все частицы вируса, каждая из которых идет путем собственных мутаций.
Общее количество вирусных частиц, полученных в ходе инфицирования, составляет около 300 тыс. и 3 млн. Если в каждой линии накапливается в среднем 0,5 мутаций, то оценка общего числа мутаций во время инфекции во всех частицах вируса, вместе взятых, будет примерно от 100 тыс. до 100 млн — расчеты скорее приблизительные, нежели точные.
Код РНК вируса содержит четыре буквы: G, C, U и A — их 30 тыс. в геноме. Мутация может изменить любую из этих букв на любую из трех других букв в коде. Это дает около 100 тыс. возможных одиночных мутаций в общей сложности.
Отсюда следует, что все возможные отдельные мутации, вероятно, будут возникать во время каждой отдельной инфекции. Так почему же мы не увидели новых опасных вариантов, которые должны были появиться через несколько месяцев пандемии?
Подавляющее большинство этих мутаций не будут иметь каких-либо значимых последствий или даже будут вредны для вируса. Более того, только крошечная доля вирусных частиц внутри инфицированного человека вызывает развитие болезни. Почти все мутации, которые накапливаются внутри зараженных вирусом клеток, будут утрачены после того, как инфекция пройдет. Кроме того, поскольку время между заражениями невелико, у естественного отбора будет мало возможностей выбрать «лучших» мутантов для заражения новых клеток.
Мы должны быть чрезвычайно благодарны за этот эффект «бутылочного горлышка» по мере того, как вирус передается от одного носителя к другому. В голову приходит отрезвляющая мысль о том, что у инфицированных людей по всему миру возникают бесчисленные новые опасные варианты, но — кроме полдюжины или около того мутантов, которым посчастливилось передаться и впоследствии распространиться, чтобы стать опасными штаммами, — они быстро отправляются в эволюционное забвение.
Препятствие на пути эволюции?
Тот факт, что почти все мутации, происходящие в ходе одного заражения, так и не выходят в мир, создает серьезные препятствия на пути эволюции вируса. Однако это можно компенсировать, если общее число случаев инфицирования очень велико.
На момент написания этой колонки в мире ежедневно регистрировалось около 620 тыс. новых случаев инфицирования. Если на одно инфицирование приходится в среднем 0,5 мутаций, это означает, что во всем мире каждый день около 300 тыс. новых мутаций передаются от одного хозяина к другому.
Важно понимать, что подавляющее большинство вирусов-мутантов, появляющихся внутри одного зараженного человека, никогда не будут переданы. Как и подавляющее большинство мутировавших вирусов, проходящих через одну первоначальную передачу, не будут распространяться среди населения. Но помните, что максимальное число возможных мутаций составляет около 100 тыс. Таким образом, можно предположить, что любая возможная мутация вирусного генома передается от одного человека к другому каждый день.
Это может создать впечатление, как недавно предположили некоторые эксперты, что эволюционные варианты вируса, возможно, иссякают, и что вероятность появления новых опасных штаммов невелика.
Однако некоторые свойства вируса могут быть определены не отдельными мутациями, а взаимодействием нескольких мутаций, действующих согласованно в одном геноме. Например, воздействие специфической мутации может быть значительно усилено, если она происходит в геноме, который уже был затронут другими специфическими мутациями. Если такие воздействия характерны для SARS-CoV-2, то вирус применил еще не все свои эволюционные уловки.