«Мы создаем семейное древо вирусов»: британский ученый — о том, как в мире прямо сейчас исследуют COVID-19
В конце октября посольство Великобритании и «Теории и практики» провели онлайн-фестиваль о культуре современной Великобритании Different Ever After, где выступили британские и российские ученые, эксперты, журналисты и представители культуры.
На лекции «По следам COVID-19» биолог и биоинформатик Томас Коннор, исследующий геномы возбудителей болезней, рассказал о результатах исследований генома SARS-CoV-2 в рамках масштабной программы национального сотрудничества Великобритании — она объединила более 70 университетов, научных центров и организаций из сферы здравоохранения.
Коротко о главном
Был ли COVID-19 создан человеком? Существует много теорий заговора, много разной информации о COVID -19. Для начала давайте проясним некоторые моменты.
Во-первых, мы много работали над геномикой этого организма, и было высказано предположение, что вирус создан человеком. Из геномных данных мы можем довольно четко сказать, что вирус не был создан человеком — скорее, это очень похоже на преодоление видового барьера, когда вирус был у другого вида, а потом перешел на организм человека. Существует множество историй о болезнях, которые способны на такое, и поэтому нам в целом очевидно, что SARS-CoV-2 не является искусственно созданным.
Сколько штаммов вируса передаются человеку? Мы будем говорить о вариациях, об изменениях в популяции вируса, но важно подчеркнуть, что существует только один штамм SARS-CoV-2, и этот штамм появился у людей где-то между октябрем и декабрем прошлого года. Этот вирус мутирует, но в абсолютном выражении по сравнению с другими вирусами он все еще очень похож на тот исходный штамм, который преодолел видовой барьер.
Становится ли вирус более опасным? В новостях много говорят о том, что чем дольше вирус будет существовать и распространяться среди людей, тем менее опасным он будет становиться. Я лишь хочу сказать, что нет никакой уверенности в том, что вирус продолжит развиваться при передаче, и в том, будет ли он приводить к тяжелому или легкому ходу болезни, — но это почти не имеет значения. Ключевым моментом для вируса является возможность передавать себя.
Даже если вирус меняется, с точки зрения его распространения по-настоящему важна популяция людей, сеть контактов, то, как люди взаимодействуют и ведут себя. Большинство патогенов, особенно респираторных, как COVID-19, процветают благодаря поведению и взаимодействию людей. Мы видим это и в случае с COVID-19.
Пока мы ищем возможные способы лечения, мы можем прибегнуть к геномике, чтобы выяснить, окажется ли вирус устойчивым к тем или иным препаратам, повлияют ли изменения в вирусе на производимые вакцины, и мы можем использовать эти мутации, чтобы отслеживать новые вспышки и разрабатывать ответные меры.
Зачем изучать геномы вирусов
Геном — это, по сути, план, содержащий все инструкции, которые вам потребуются для создания организма и управления им. Практически каждая клетка, каждая вирусная частица, каждая бактерия в мире содержит план, и этот план записан в молекулах, называемых РНК или ДНК. Этот план содержит всю информацию о том, как построить ячейку, в которой он находится, и содержит операционную систему для этой ячейки, которая сообщает, как ей работать. Поэтому в основе геномики лежит идея, что, изучив этот план, мы можем понять, как функционирует сам организм.
Я работаю в Национальной службе здравоохранения Уэльса и в Университете Кардиффа. Наша работа заключается в том, что мы секвенируем все доступные в Уэльсе случаи COVID-19, а затем ищем важные изменения. Мы отслеживаем распространение вируса и наблюдаем за вспышками.
Во многом наша работа похожа на работу детектива: мы смотрим на информацию, полученную благодаря секвенированию генома, а затем соединяем ее с другими источниками информации, чтобы ответить на конкретные вопросы о вирусе, который нас интересуют. Поначалу наш главный вопрос заключался в том, как именно COVID-19 попал в Великобританию, затем — становится ли вирус более заразным, происходят ли в нем изменения, которые требуют нашего внимания. А потом, когда число случаев заражения снижается, ключевой вопрос — как нам использовать полученные данные, чтобы бороться с местными вспышками и способствовать сдерживанию вируса. Я приведу пример, который касается всех трех вопросов.
Важно помнить, что во время пандемии в стране никогда не бывает нулевого пациента
Как вирус попал в Великобританию? У нас есть популяция с некоторым количеством зараженных людей. Каждый из случаев заражения является частью так называемой цепи передачи: все они заразились от кого-то еще. На этом этапе нам важно узнать, откуда взялись эти случаи. Используя геномику, мы можем классифицировать эти образцы, а затем проанализировать геномные последовательности со всего мира и начать выяснять, откуда конкретный случай пришел изначально, откуда взялись первые носители. Так мы начинаем понимать, как и откуда в нашу популяцию попали вирусы.
По сути, мы создаем семейное древо вирусов. Мы берем образцы вирусов у зараженных людей и используем данные о геномных последовательностях, чтобы создать семейное древо вируса. Таким образом мы можем вернуться назад, чтобы найти общего предка группы образцов, а затем понять, откуда мог прийти конкретный случай или кластер случаев. Важно помнить, что во время пандемии в стране никогда не бывает нулевого пациента, и почти наверняка вирус попадает в страну через множество носителей. А затем начинаются локальные вспышки и локальное распространение. Поэтому одна из задач, которую нам нужно решить, — это выяснить все перечисленное с помощью имеющихся данных и суметь понять, откуда взялись эти случаи.
Нам удалось сделать это в Великобритании и оценить число семейств вируса внутри страны. Так мы смогли примерно понять, сколько раз вирус был принесен извне, и отследить, насколько большими оказались эти кластеры. Мы обнаружили, что можем выделить более 1000 случаев, когда вирус был принесен в Великобританию извне, и сказать, что все они произошли до введения карантина в марте. Они породили гораздо более крупные семейства, гораздо более крупные кластеры случаев, чем более поздние вариации. Это важная деталь, потому что так мы понимаем, что меры по контролю распространения вируса эффективны, что карантин помогает остановить передачу вируса.
Возникает вопрос: хорошо, если у нас есть тысяча случаев, когда вирус был принесен извне, откуда они взялись? Мы смогли сопоставить информацию о международных рейсах и данные о геномных последовательностях из других стран, чтобы выяснить, что в первую волну Испания и Франция стали источником множества случаев заболевания в Великобритании. Это любопытно, потому что в Великобритании пресса проявляла немалый интерес к Италии, но наш анализ показал, что в Великобритании большинство случаев заражения оказались из Испании и Франции и произошли немного позднее. Это дает нам материал для дальнейших исследований вопроса о том, почему вирус был принесен именно из этих мест, какой была эта динамика, и помогает нам в будущем планировании, например, в построении моделей худших сценариев.
Так что это лишь малый пример того, как мы можем использовать геномику, чтобы определять, откуда к нам попали разные случаи заражения. Но возникает и другой вопрос — почему в Европе все так плохо и может ли вирус изменяться.
«Почему в Европе все так плохо?»
Наверное, теперь уже все знакомы с изображением коронавируса с красными структурами на поверхности. Их форма (они похожи на маленькие короны) — вот откуда произошло название «коронавирус». Этот белок очень важен для того, чтобы вирус проникал в клетки и вызывал заболевание. Было замечено, что примерно в январе [2020] в шиповидном белке произошло изменение — мутация, которая примерно в течение трех-четырех месяцев полностью заменила или почти полностью заменила исходный вариант, исходную аминокислоту в этом положении. Это мутация под названием D614G. Один из ключевых возникших вопросов — повлияла ли эта единственная мутация на способность вируса вызывать заболевание, а значит, повысила вероятность его передачи, сделала вирус более заразным и, следовательно, могла стать одной из причин того, почему пандемия настолько сильно ударила в марте по Европе, но не по местам вроде Китая.
Лаборатория — это не популяция, а животные, на которых вы проводите тесты, — не люди
Чтобы ответить на этот вопрос, мы изучили наши данные о последовательности коронавируса панголинов (GD Pangolin-CoV) и узнали две вещи. Мы смогли продемонстрировать, что новая вариация G действительно передавалась лучше, чем вариация D, — для этого провели исследование, которое показало, что в лаборатории вариация G в 10-100 раз более заразна.
Но лаборатория — это не популяция, а животные, на которых вы проводите тесты, — не люди. То есть данные о последовательности генома, которые мы сгенерировали, позволяют нам фактически оценить разницу между двумя типами вариаций в их способности приводить к заболеванию. Мы действительно видим повышенную способность G приводить к заболеванию по сравнению с D. Это, безусловно, одна из вещей, которые следует учитывать в будущем.
В то же время возникает много вопросов о том, оказалась ли эта новая вариация G более опасной [для людей] или приводила ли она к более серьезным последствиям по сравнению с D. Мы снова смогли изучить это, используя наши данные о последовательности генома, и, хотя G передается активнее, разницы в тяжести последствий мы не обнаружили. То есть независимо от того, получили ли вы D или G, вероятность тяжелого исхода в целом одинаковая.
Это очень широкий диапазон: данные получены на основе примерно 25 000 случаев в Великобритании, поэтому разброс велик. Но так мы можем узнать о вирусе несколько фундаментальных вещей, которые крайне важны для будущего планирования и для лучшего понимания этого организма.
Как геномика помогает останавливать вспышки коронавируса в больницах
Примерно в апреле мы поняли, что почти на всей территории Уэльса число случаев заражения падает, однако в одном районе — в северном Уэльсе — ситуация обстоит иначе. Показатели оставались высокими, и мы очень хотели понять, почему это происходит и можно ли с этим что-то сделать.
Поэтому мы стали смотреть на так называемые родственные линии вирусов и увидели, что примерно 60-70% случаев, которые мы секвенировали, попадали всего в пять-шесть разных линий, отдельных семейных древ. Это показывает, что речь, возможно, идет не о широком распространении вируса внутри сообщества, а о вспышках. Эти числа относятся к сравнительно небольшому числу потенциальных случаев передачи. Мы выяснили, что многие из этих линий были новыми, то есть раньше их не встречали, они появились примерно после того, как карантин начали смягчать. Это позволяет предположить, что их ввозят обратно в Уэльс, после чего появляются новые случаи заражения.
- Пять главных новостей о пандемии коронавируса. 2 ноября
- «Нет доверия к человеку в белом халате»: педиатр Анна Левадная — о второй волне COVID-19 и отношении к врачам
Я расскажу подробнее об одной из этих линий, внутри которой моя команда обнаружила наборы интересных кластеров. Затем мы побеседовали с нашими коллегами в северном Уэльсе, которые работали над происходившими там вспышками. Оказалось, что случаи из кластеров, которые мы уже изучали, исследовали также наши коллеги в северном Уэльсе в рамках мер по борьбе с пандемией. Посмотрев на все случаи в рамках этой вспышки, мы выяснили, что 19 случаев из примерно 39 приходятся на одну больницу.
Так мы выяснили, что в северном Уэльсе произошел рост числа случаев заражения внутри определенной группы, а затем обнаружили, что все эти случаи произошли в одном госпитале и были распределены по нескольким больничным палатам. Это очень ценная информация, потому что ее можно использовать для предотвращения распространения инфекции внутри больницы и контроля вспышки заболевания.
Кроме того, мы секвенируем образцы, собранные со всего сообщества. Мы заметили, что была одна конкретная группа, которая часто встречалась в больнице скорой медицинской помощи и изредка — в больнице общего профиля, тогда как другие древа в больнице скорой медицинской помощи почти не попадались. Это характерный признак того, что вирус передается именно внутри больницы — а не люди, заразившиеся внутри одного сообщества, оказываются в одном госпитале. Так у нас появился очень полезный способ быстро выяснять, есть ли в больнице случаи, которые требуют дальнейшего расследования.
Перевод Натальи Балабанцевой.