Ликбез по эволюции вирусов

С появлением очередного страшного варианта «омикрон» опять начались споры о том откуда берутся мутанты, кто виноват в их появлении, и о том, насколько неизбежно появление новых мутантов и связанных с ними волн заражений или болезней.

Меня давно уже просили об этом написать, но все руки не доходили, тем более что мне не совсем понятно на каком уровне стоит об этом рассказывать. Из многих лет ведения этого блога у меня сложилось впечатление куча людей не понимают саму концепцию естественного отбора, и как правило объяснить ее в формате ЖЖ почти невозможно. А уж более сложные концепции... В общем, я попробую, исходя из того, что слова "естественный отбор" читателю не чужды, надеюсь получится понятно и интересно. Сразу предупреждаю, что во-первых, буду упрощать насколько возможно, во-вторых, поскольку в биологии ничего нет на 100%, то вокруг всех утверждений ниже можно писать «как правило» или «в общем случае».



Происхождение разнообразия
Частота мутаций – это фундаментальное свойство самого вируса, которое описывается как вероятность случайной ошибки при копировании вирусного генома. Коронавирусы по сравнению с другими РНК вирусами – очень аккуратные вирусы и делают ошибку примерно один раз на миллион скопированных нуклеотидов. Учитывая, что геном САРС-2 примерно 30 тыс нуклеотидов, получается что в каждом 30-ом вирусе выходящем из зараженной клетки будет одна мутация (в каждом тысячном – две). Вроде бы немного, но надо учесть, сколько новых вирусов производится при инфекции. Каждая зараженная клетка в организме производит примерно тысячу вирусов, т.е. около 30 «мутантов». На пике инфекции в организме содержится около 10 миллиардов вирусных частиц. Конечно, из них лишь очень небольшое количество (я бы предположил от единицы до миллиона) передастся следующему организму, поэтому не имеет большого смысла высчитывать полное разнообразие вируса внутри организма, но эти цифры должны давать представление о масштабах происходящего. Каждый зараженный человек – фабрика по производству новых мутантов.

Что происходит с этими мутантами? Очень большой процент мутаций (скажем процентов 70-90) что-либо серьезно ломает в вирусе. Зараженные такими мутантами клетки произведут очень мало вируса или не произведут его вообще. Но в остальных случаях полученные мутации более-менее переносимы и достанутся следующим поколениям. Единожды полученная мутация остается во всем вирусном потомстве практически навсегда - вероятность того, что эта конкретная мутация в каком-либо из следующих поколений мутирует обратно в «дикий тип» это уже упоминавшаяся вероятность 1 на миллион. Т.е. для такой «обратно»-мутации нужно миллион поколений вируса, а за это время вирусный геном получит еще тысячи новых мутаций.

Нейтральная эволюция
Прежде чем мы перейдем к отбору, следует объяснить другой очень важный механизм эволюции. Предположим, что абсолютно все мутации не имеют никакого влияния на свойства вируса, о таких мутациях говорят что они нейтральны. Что будет тогда происходить? Частота каждой конкретной новопоявившейся мутации из поколения в поколение будет случайным образом меняться вверх или вниз. Поскольку вначале частота каждой мутации очень низка (ее всего одна копия), то как правило при одном из таких случайных колебаний она упадет до нуля и мутация исчезнет из популяции. Однако как я писал выше, мутации появляются постоянно, поэтому неизбежно некоторым мутациям повезет и их частота будет увеличиваться просто благодаря случаю. Некоторые из них получат существенное распространение, а некоторые и вовсе станут доминирующими, все благодаря случайным процессам. Если мы в этой модели посмотрим на популяцию вируса в любой момент времени, то мы увидим огромное разнообразие вариантов и мутаций, и со временем это разнообразие постоянно будет меняться, одни варианты будут заменять другие и, заметьте, все это будет происходить даже при условии полной нейтральности каждой мутации! Эта нейтральная модель – это стартовая точка для рассмотрения каждой мутации в реальном мире. Мы исходим из начального предположения, что распространение мутации – случайный процесс, а вот положительный ее эффект требует доказательств, которые кстати довольно сложно получить.

Эффект мутаций
ОК, перейдем к мутациям, которые что-то меняют для вируса. Можно выделить три основные категории по которым мутация может влиять на распространение вируса в популяции. Во-первых, она может влиять на собственно репликацию вируса – его способность заражать клетки, воспроизводиться, распространяться внутри организма. Сюда же отнесем способность уживаться с первичным иммунным ответом (т.е. иммунным ответом в организме, который до этого не встречался ни с вирусом, ни с вакциной), избегать его насколько возможно. Во-вторых, она может влиять на некоторые характеристики важные для распространения вируса от человека к человеку, как то его количество в местах организма связанных с распространением, или стабильность в окружающей среде, или длина инкубационного периода. Наконец, в-третьих, она может влиять на способность избегать вторичный иммунный ответ, т.е. ответ в организме, который уже имеет опыт борьбы с родственным вирусом.

Внимательные читатели тут должны спросить – а как же патогенез, т.е. способность вызывать болезнь и-или смерть? Несомненно, мутации могут также менять и патогенные свойства вируса. Однако для целей нашего обсуждения сегодня это не очень принципиально, потому что как правило патогенез не является свойством, влияющим на распространение вирусов. Можно конечно придумать ситуации в которых патогенез важен для отбора. Например, можно предположить, что более мягкое протекание болезни позволяет человеку дольше быть на ногах и таким образом заразить больше людей. Но можно также предположить, что более серьезное протекание болезни связано с большим количеством вируса в дыхательных путях, что увеличивает шансы на распространение. В отличие от первых трех категорий, где можно делать какие-то общие утверждения (мы к ним сейчас перейдем), в отношении патогенеза какие-либо предсказания делать невозможно. Их можно только экспериментально получать и надо сказать что за всю историю вирусологии можно на пальцах одной руки насчитать случаи когда патогенез оказывался важным фактором отбора для вирусов или бактерий, да и те я бы сказал сомнительны. Поэтому для целей нашего обсуждения сегодня можно считать что мутации влияют лишь на три категории свойств описанные выше, а любые связанные с мутациями изменения патогенеза – это просто непредсказуемый побочный эффект изменения тех трех свойств.

Как действует отбор на мутации из каждой категории?
Мутации влияющие на репликацию вируса: Улучшить репликацию вируса очень трудно, большинство мутаций будут ее только ухудшать, поэтому тут отбор имеет очищающее действие – он убирает из популяции вируса мутации, влияющие на эти свойства и таким образом поддерживает циркуляцию исходного не-мутантного вируса. Иногда, довольно редко, могут возникать мутации улучшающие репликацию вируса, но сами по себе они будут распространяться как нейтральные мутации – для того, чтобы мутация улучшающая репликацию активно распространялась в популяции нужно чтобы она улучшала распространение вируса.

Мутации влияющие на распространение – примерно как с репликацией вируса, тут мутациям тоже проще сломать, чем построить, и отбор будет в основном очищающим. Небольшое отличие тут в том, что распространение вируса определяется не только его внутренними свойствами, но и свойствами человеческой популяции (плотность общения, типы общения, кластеризация). И вполне возможно что в разных условиях от вируса требуются разные свойства для оптимизации распространения. Таким образом мутации, которые положительны в одной ситуации, могут быть негативными в другой. Но все-таки основной отбор тут тоже будет очищающим – удаляющим мутации из популяции.

Мутации влияющие на «уживание» со вторичным иммунным ответом: Тут правило для вируса очень простое – чем больше ты отличаешься от того вируса (или вирусов) которые до этого видела иммунная система, тем лучше. Никаких особых свойств тут не нужно, достаточно просто быть «другим», поэтому тут чем больше мутаций, тем лучше, и отбор будет способствовать распространению новых мутаций. Этот отбор работает только в человеческой популяции в которой имеется существенный процент людей с существующим иммунитетом к вирусу (от вакцины ли, или от инфекции). И отбираемые им мутации вовсе не обязательно должны иметь какой-либо эффект на свойства вируса в не-иммунных людях.

Как вы можете заметить, действие отбора в двух первых категориях диаметрально противоположно действию в третьей. В первых двух случаях отбор преимущественно убирает мутации, а в третьем ведет к их распространению, и вирусам приходится балансировать эти два фактора. Конечно, «лучше быть богатым и здоровым, чем бедным и больным», т.е. сохранять важные для репликации и распространения свойства и при этом меняться в частях распознаваемых иммунной системой, но это далеко не всегда возможно для вируса. Тут скорее работает правило «любую работу можно сделать дешево, хорошо, и быстро, но приходится выбирать только два из этих трех факторов».

Плейотропия и контекст
Если вам показалось, что все это довольно сложно, то крепитесь, сейчас все станет еще запутанней.

Плейотропия – это когда мутация одновременно влияет на более чем одно свойство организма. Такой эффект – не исключение, он верен для подавляющего большинства мутаций. Т.е. любая мутация не относится только к одной из категорий перечисленных выше, она часто относится к двум или даже к трем, и может менять эти свойства в разных направлениях (или не менять их). Например, она может улучшать репликацию вируса, ухудшать распространение, и помогать избегать вторичный иммунный ответ. Или она может ухудшать репликацию, улучшать распространение, но вредить избеганию вторичного иммунного ответа. И т.д.

Далее, для каждой мутации важен контекст, т.е. в каком именно геноме она присутствует. Свойства мутации всегда проявляются только в контексте конкретного генома. Одна и та же мутация в одном геноме может иметь положительные свойства для вируса, а в другом геноме – отрицательные свойства. Допустим есть дикий вариант и некий мутант А. Возможна ситуация, что новая мутация Б, если она случается в диком варианте - улучшает репликацию вируса, а если она случается в мутанте А – то ухудшает репликацию вируса. Это экстремальный вариант, но вот величина эффекта от мутации может часто варьировать от генома к геному (т.е. в одном геноме ее эффект может быть сильней, а в другом - слабей).

Заключительные заметки на полях
Какие мы отсюда можем сделать выводы? Я бы сказал основной вывод в том, что пытаться предсказать направление эволюции вируса в будущем – дело довольно бесполезное. Это слишком сложная система, которую невозможно смоделировать. Опыт с другими вирусами тут имеет очень ограниченную ценность, потому что эволюция зависит от начальной точки (исходного генома) и огромного количества внешних факторов. Утверждения о том, что «мутанты так и будут появляться», как вы после прочтения текста выше должны понимать – довольно бессмысленны, потому что с одной стороны они безусловно верны, но с другой стороны это не означает то, что обычно имеет в виду ее произносящий. Мутанты действительно будут появляться, это неизбежно по самой природе вирусов, но при этом невозможно предсказать, какие у них будут свойства, кроме того, что чем дальше, тем больше будет давление на способность уживаться с вторичным иммунным ответом (потому что все больше и больше людей будут иметь иммунный ответ на вирус).

Можем ли мы сделать какие-то выводы из появления «дельты»? Как мне кажется (и честно скажу – за последними исследованиями по ней я не следил), дельта оказалась довольно редким мутантом, который улучшил репликацию вируса, так что после заражения количество вируса в дыхательных путях вырастает быстрее, что улучшило способность вируса распространяться. Можно ли ожидать дальнейшего улучшения репликации вируса? Мне это кажется очень маловероятным, возможности улучшать репликацию у вируса не безграничны, а дельта и так уже очень и очень хороша.

Кто виноват в появлении мутантов – вакцинированные или не-вакцинированные или переболевшие? По большому счету - ни те, ни другие, ни третьи. Вакцинация имеет один очевидный плюс, она в некоторой степени снижает распространение вируса, таким образом уменьшая разнообразие вируса. Каждая предотвращенная инфекция – это минус к разнообразию вируса. Но эффект этот скорей всего не очень велик, учитывая небольшой процент вакцинированных в мире. Перенесенная инфекция тут должна иметь примерно такой же эффект, как и вакцинация, но с тем минусом, что как минимум один раз человек уже послужил инкубатором для новых мутаций, но с плюсом в том, что иммунный ответ там не только на спайк-белок, но и на остальные вирусные белки. Вторичный иммунный ответ в зараженных вакцинированных и переболевших создает давление на вирус, требующее от него изменений (третья категория мутаций описанная выше), в этом смысле конечно ведут к распространению мутантов, но эти мутации важны лишь для избегания вторичного иммунного ответа и не имеют никакого эффекта при первичной инфекции. Т.е. для невакцинированного не должно быть никакой разницы, заразился он исходным вирусом, или мутантом избегающим иммунный ответ в вакцинированных или переболевших (хотя некоторый эффект для лечения есть, потому что такие мутанты часто избегают также и моноклональные антитела используемые в лечении). Важно также вспомнить о балансе о котором я писал выше: на вирус действует отбор оставаться прежним чтобы сохранять свою способность реплицироваться и распространяться, но также отбор меняться чтобы избежать вторичный иммунный ответ. Вполне возможно, что в какой-то момент вирус не сможет делать и то и другое и таким образом его возможность распространяться окажется ограниченной.

Длинный уже получился текст, остановлюсь здесь. Как всегда, будут только рад вопросам и обсуждениям в комментариях.