Биолог Георгий Базыкин о вакцине от гриппа, антигенном дрейфе и синтезированном штамме птичьего гриппа
Люди умирают
из-за эволюции. Порядка 30% смертей, которые происходят все время на
земном шаре, можно приписать эволюции простых одноклеточных существ или
простых одиночных клеток, начиная с инфекционных агентов (патогенов,
вирусов и бактерий), которые все время нас атакуют, и кончая эволюцией
наших собственных клеток внутри нашего организма, которые приводят к
раку.
Инфекционные заболевания — это колоссальная проблема, никому это не надо объяснять. Может быть, надо объяснять, что грипп — это одна из самых страшных инфекций. Ежегодно она уносит порядка 250 тысяч жизней, в отдельные годы гораздо больше. Самая страшная эпидемия гриппа, которая была на Земле, про которую мы знаем, — это знаменитая испанка 1918 года, которая унесла много миллионов жизней — от 50 до 100 миллионов жизней по разным оценкам. Из-за нее погибло несколько процентов населения земного шара. И хотелось бы быть способным предсказывать такие события наперед.
От гриппа существует вакцина, достаточно эффективная. Проблема в том, что она каждый год устаревает, потому что каждый год грипп эволюционирует, изменяя свои антигенные свойства и становясь снова незнакомым для нашей иммунной системы. Вакцину в результате приходится обновлять практически ежегодно. Примерно раз в год встречаются специалисты из Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) и рекомендуют всем производителям вакцины новый состав так называемой трехвалентной вакцины, то есть рекомендуют три штамма, которые должны быть заложены в эту вакцину, и эта вакцина будет защищать не от всего разнообразия вирусов гриппа, а лучше всего именно от этих трех штаммов.
Хотя, конечно, существуют перекрестные иммунитеты, и от штаммов, похожих по антигенным свойствам на эти три штамма, эти вакцины будут защищать тоже неплохо. Но тем не менее прививаться от гриппа нам рекомендуют каждый год, и это правильно, потому что во многие годы состав вакцины просто обновляется. ВОЗ рекомендует состав вакцины за полгода до того, как эта вакцина реально начинает использоваться, по той причине, что производственный цикл вакцины довольно длинный. Он включает инкубацию вирусных частиц в куриных яйцах — для этого требуется колоссальное количество куриных яиц во всем мире. Понятно, что этот процесс не может быть быстрым. Кроме того, такой медленный процесс означает, что мы не можем очень быстро создать вакцину для какого-то нового штамма, который неожиданно появился.
Постепенные изменения генетических свойств вируса гриппа называются антигенным дрейфом. Они происходят непрерывно, все время. По-видимому, бо́льшая часть антигенного дрейфа происходит в средних широтах, тропических широтах, где у гриппа нет таких выраженных сезонных эпидемий. В общем он держится на одном уровне в человеческой популяции непрерывно, круглый год, и раз в сезон — зимой в Северном полушарии и в то время, когда у них зима, а у нас лето в Южном полушарии — каждый год возникают новые эпидемии в Северном и Южном полушариях соответственно. И то, какой именно штамм вызовет эпидемию, хорошо бы научиться предсказывать именно для того, чтобы создавать эти вакцины. В принципе ВОЗ неплохо справляется с этой задачей. Бо́льшую часть лет они достаточно точно предсказывают штамм, который вызовет будущую эпидемию. Тем не менее не идеально. Здесь есть простор для прогресса.
Каким образом можно пытаться предсказывать, какой штамм вызовет будущую пандемию? В 2014 году вышло две работы, которые показывают, что для этого информативна предыдущая эволюция соответствующего вируса. Можно, как любят эволюционисты, построить эволюционное дерево, причем у вируса гриппа оно имеет очень характерную форму: это отдельный ствол, от которого отходят коротенькие веточки. Когда вы видите дерево такой формы, вы почти всегда можете быть уверены, что имеете дело с патогеном. Есть одна-единственная линия, которая оказывается эволюционно успешной, характеризуется быстрыми изменениями. Она все время изменяет свои свойства, и именно поэтому она эволюционно успешна, а также потому, что иммунной системе человека приходится все время стрелять по движущейся мишени. От нее ответвляются другие линии, которые в конце концов вымирают. Тем не менее каждый год существует некое разнообразие, и хорошо бы понять, глядя на разнообразие текущего года, какой из наблюдаемых в текущем году штаммов даст эпидемию следующего года.
Для этого можно смотреть, например, на то, какими мутациями отличаются эти штаммы друг от друга. Если штамм накопил большое количество мутаций в своих эпитопах, то есть именно в тех местах своих поверхностных белков (белков, торчащих наружу), которые видны иммунной системе, то это значит, что, скорее всего, он для иммунной системы будет незаметен, поэтому с большой вероятностью будет эффективен. Наоборот, возможно, если у него были какие-то мутации во внутренних генах, то эти мутации с большой вероятностью были вредные — они делают этот вирус менее приспособленным, и такие линии будут вымирать. Можно построить математическую модель, которая, глядя на число мутаций в эпитопах и на число мутаций снаружи, предсказывает будущую эволюционную успешность вируса. Кроме того, можно смотреть просто на то, насколько данный штамм вируса был эволюционно успешным до сих пор, и экстраполировать это в будущее. Как известно, Нильс Бор сказал, что делать прогнозы очень сложно, особенно в применении к будущему. Будущее прогнозировать очень сложно, но тем не менее можно пытаться выбрать из штаммов тот, что будет более успешным, по тому, насколько сильно ветвится эволюционное дерево в соответствующем месте: чем сильнее оно ветвится, тем успешнее соответствующий штамм. Это подход, который применяется.
Существующие подходы не учитывают взаимодействия между генами. У вируса гриппа есть 11 генов, и они все друг с другом взаимодействуют довольно сложным образом. Например, два поверхностных белка — нейраминидаза и гемагглютинин — выполняют комплементарные функции. Гемагглютинин участвует в связывании вирусной частицы с хозяйской клеткой, а нейраминидаза нужна для того, чтобы эти связи обрезать у заново почкующихся вирусных частиц. Понятно, что мутации, которые делают гемагглютинин более эффективным, то есть увеличивают это связывание, должны компенсироваться мутациями в нейраминидазе, делающими, наоборот, более эффективным разрезание. Здесь ожидается функциональный эпистаз — функциональное взаимодействие между мутациями. Эти соображения сейчас практически не учитываются при составлении прогнозов вакцин на будущее, но тем не менее разные группы, в том числе и наша, показывали, что такого рода соображения очень важны.
Кроме постепенного антигенного дрейфа, таких постепенных событий, эволюция вируса гриппа характеризуется также антигенными сдвигами — радикальными изменениями свойств вируса, которые часто связаны с реассортацией. У вируса гриппа геном записан на восьми отдельных сегментах, немного напоминающих человеческие хромосомы. Когда клетка млекопитающего заражается одновременно двумя вирусными частицами двух разных штаммов, эти сегменты могут перемешаться, и может возникнуть новая вирусная частица с новыми свойствами, состоящая отчасти из сегментов одного родительского штамма, отчасти другого. Такие реассортантные штаммы очень сильно отличаются от сородительских штаммов, и, в частности, они часто приводят к большим пандемиям. Все крупнейшие пандемии ХХ века, о которых мы знаем, — пандемии 60–70-х годов, а также, скорее всего, испанка 1918 года, — вызывались, по-видимому, такими реассортациями, когда штаммы, приходящие из разных видов организмов, например из птиц, свиней, лошадей, из кого-то еще, перемешивались и давали, с одной стороны, что-то новое, чего человеческая иммунная система раньше не видела, с другой стороны, что-то, что способно эффективно передаваться в человеке.
Дальше важный эволюционный вопрос: какие именно из штаммов, имеющихся сейчас в природе, дадут реассортант, который может привести к следующей серьезной эпидемии или, не дай бог, к пандемии, в результате чего радикально изменятся свойства циркулирующего сейчас гриппа? Такого рода предсказания мы делать совсем не умеем, потому что здесь очень много входящих факторов. Здесь важно смотреть, с кем там больше взаимодействует человек, важно пытаться предсказывать, какие именно штаммы с большей вероятностью легче научатся передаваться от человека к человеку. Здесь есть место для экспериментальной работы. Действительно, такие эксперименты ставятся.
Была нашумевшая работа одной группы из Голландии и одной группы из Японии, где исследователи пытались вручную синтезировать штамм птичьего гриппа, который был бы способен передаваться между млекопитающими, и это им удалось. Но их работа была как бы этически спорная, потому что все боялись, что после того, как будет синтезирован такой штамм, может быть, он убежит из лаборатории, может быть, его гены не стоит выкладывать в открытый доступ, потому что кто-нибудь злонамеренно сможет такое синтезировать. Тем не менее в результате мы знаем, какими свойствами должен обладать тот штамм, который научится передаваться между млекопитающими. Оказывается, что кроме реассортации ему достаточно накопить всего лишь небольшое количество мутаций, порядка пяти, и часть этих мутаций уже присутствует в природных популяциях. Возможно, что штамм птичьего гриппа, который может распространяться между млекопитающими, не за горами.
Мы в свое время показали, что реассортации ускоряют последующее накопление точных одиночных мутаций, поэтому возникнуть такой штамм может еще быстрее, чем мы думаем. Тем не менее предсказание того, какой из природных штаммов вируса представляет эпидемическую опасность для человека, — это очень важная область науки. Это то, чего мы делать пока практически не умеем.
Инфекционные заболевания — это колоссальная проблема, никому это не надо объяснять. Может быть, надо объяснять, что грипп — это одна из самых страшных инфекций. Ежегодно она уносит порядка 250 тысяч жизней, в отдельные годы гораздо больше. Самая страшная эпидемия гриппа, которая была на Земле, про которую мы знаем, — это знаменитая испанка 1918 года, которая унесла много миллионов жизней — от 50 до 100 миллионов жизней по разным оценкам. Из-за нее погибло несколько процентов населения земного шара. И хотелось бы быть способным предсказывать такие события наперед.
От гриппа существует вакцина, достаточно эффективная. Проблема в том, что она каждый год устаревает, потому что каждый год грипп эволюционирует, изменяя свои антигенные свойства и становясь снова незнакомым для нашей иммунной системы. Вакцину в результате приходится обновлять практически ежегодно. Примерно раз в год встречаются специалисты из Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) и рекомендуют всем производителям вакцины новый состав так называемой трехвалентной вакцины, то есть рекомендуют три штамма, которые должны быть заложены в эту вакцину, и эта вакцина будет защищать не от всего разнообразия вирусов гриппа, а лучше всего именно от этих трех штаммов.
Хотя, конечно, существуют перекрестные иммунитеты, и от штаммов, похожих по антигенным свойствам на эти три штамма, эти вакцины будут защищать тоже неплохо. Но тем не менее прививаться от гриппа нам рекомендуют каждый год, и это правильно, потому что во многие годы состав вакцины просто обновляется. ВОЗ рекомендует состав вакцины за полгода до того, как эта вакцина реально начинает использоваться, по той причине, что производственный цикл вакцины довольно длинный. Он включает инкубацию вирусных частиц в куриных яйцах — для этого требуется колоссальное количество куриных яиц во всем мире. Понятно, что этот процесс не может быть быстрым. Кроме того, такой медленный процесс означает, что мы не можем очень быстро создать вакцину для какого-то нового штамма, который неожиданно появился.
Постепенные изменения генетических свойств вируса гриппа называются антигенным дрейфом. Они происходят непрерывно, все время. По-видимому, бо́льшая часть антигенного дрейфа происходит в средних широтах, тропических широтах, где у гриппа нет таких выраженных сезонных эпидемий. В общем он держится на одном уровне в человеческой популяции непрерывно, круглый год, и раз в сезон — зимой в Северном полушарии и в то время, когда у них зима, а у нас лето в Южном полушарии — каждый год возникают новые эпидемии в Северном и Южном полушариях соответственно. И то, какой именно штамм вызовет эпидемию, хорошо бы научиться предсказывать именно для того, чтобы создавать эти вакцины. В принципе ВОЗ неплохо справляется с этой задачей. Бо́льшую часть лет они достаточно точно предсказывают штамм, который вызовет будущую эпидемию. Тем не менее не идеально. Здесь есть простор для прогресса.
Каким образом можно пытаться предсказывать, какой штамм вызовет будущую пандемию? В 2014 году вышло две работы, которые показывают, что для этого информативна предыдущая эволюция соответствующего вируса. Можно, как любят эволюционисты, построить эволюционное дерево, причем у вируса гриппа оно имеет очень характерную форму: это отдельный ствол, от которого отходят коротенькие веточки. Когда вы видите дерево такой формы, вы почти всегда можете быть уверены, что имеете дело с патогеном. Есть одна-единственная линия, которая оказывается эволюционно успешной, характеризуется быстрыми изменениями. Она все время изменяет свои свойства, и именно поэтому она эволюционно успешна, а также потому, что иммунной системе человека приходится все время стрелять по движущейся мишени. От нее ответвляются другие линии, которые в конце концов вымирают. Тем не менее каждый год существует некое разнообразие, и хорошо бы понять, глядя на разнообразие текущего года, какой из наблюдаемых в текущем году штаммов даст эпидемию следующего года.
Для этого можно смотреть, например, на то, какими мутациями отличаются эти штаммы друг от друга. Если штамм накопил большое количество мутаций в своих эпитопах, то есть именно в тех местах своих поверхностных белков (белков, торчащих наружу), которые видны иммунной системе, то это значит, что, скорее всего, он для иммунной системы будет незаметен, поэтому с большой вероятностью будет эффективен. Наоборот, возможно, если у него были какие-то мутации во внутренних генах, то эти мутации с большой вероятностью были вредные — они делают этот вирус менее приспособленным, и такие линии будут вымирать. Можно построить математическую модель, которая, глядя на число мутаций в эпитопах и на число мутаций снаружи, предсказывает будущую эволюционную успешность вируса. Кроме того, можно смотреть просто на то, насколько данный штамм вируса был эволюционно успешным до сих пор, и экстраполировать это в будущее. Как известно, Нильс Бор сказал, что делать прогнозы очень сложно, особенно в применении к будущему. Будущее прогнозировать очень сложно, но тем не менее можно пытаться выбрать из штаммов тот, что будет более успешным, по тому, насколько сильно ветвится эволюционное дерево в соответствующем месте: чем сильнее оно ветвится, тем успешнее соответствующий штамм. Это подход, который применяется.
Существующие подходы не учитывают взаимодействия между генами. У вируса гриппа есть 11 генов, и они все друг с другом взаимодействуют довольно сложным образом. Например, два поверхностных белка — нейраминидаза и гемагглютинин — выполняют комплементарные функции. Гемагглютинин участвует в связывании вирусной частицы с хозяйской клеткой, а нейраминидаза нужна для того, чтобы эти связи обрезать у заново почкующихся вирусных частиц. Понятно, что мутации, которые делают гемагглютинин более эффективным, то есть увеличивают это связывание, должны компенсироваться мутациями в нейраминидазе, делающими, наоборот, более эффективным разрезание. Здесь ожидается функциональный эпистаз — функциональное взаимодействие между мутациями. Эти соображения сейчас практически не учитываются при составлении прогнозов вакцин на будущее, но тем не менее разные группы, в том числе и наша, показывали, что такого рода соображения очень важны.
Кроме постепенного антигенного дрейфа, таких постепенных событий, эволюция вируса гриппа характеризуется также антигенными сдвигами — радикальными изменениями свойств вируса, которые часто связаны с реассортацией. У вируса гриппа геном записан на восьми отдельных сегментах, немного напоминающих человеческие хромосомы. Когда клетка млекопитающего заражается одновременно двумя вирусными частицами двух разных штаммов, эти сегменты могут перемешаться, и может возникнуть новая вирусная частица с новыми свойствами, состоящая отчасти из сегментов одного родительского штамма, отчасти другого. Такие реассортантные штаммы очень сильно отличаются от сородительских штаммов, и, в частности, они часто приводят к большим пандемиям. Все крупнейшие пандемии ХХ века, о которых мы знаем, — пандемии 60–70-х годов, а также, скорее всего, испанка 1918 года, — вызывались, по-видимому, такими реассортациями, когда штаммы, приходящие из разных видов организмов, например из птиц, свиней, лошадей, из кого-то еще, перемешивались и давали, с одной стороны, что-то новое, чего человеческая иммунная система раньше не видела, с другой стороны, что-то, что способно эффективно передаваться в человеке.
Дальше важный эволюционный вопрос: какие именно из штаммов, имеющихся сейчас в природе, дадут реассортант, который может привести к следующей серьезной эпидемии или, не дай бог, к пандемии, в результате чего радикально изменятся свойства циркулирующего сейчас гриппа? Такого рода предсказания мы делать совсем не умеем, потому что здесь очень много входящих факторов. Здесь важно смотреть, с кем там больше взаимодействует человек, важно пытаться предсказывать, какие именно штаммы с большей вероятностью легче научатся передаваться от человека к человеку. Здесь есть место для экспериментальной работы. Действительно, такие эксперименты ставятся.
Была нашумевшая работа одной группы из Голландии и одной группы из Японии, где исследователи пытались вручную синтезировать штамм птичьего гриппа, который был бы способен передаваться между млекопитающими, и это им удалось. Но их работа была как бы этически спорная, потому что все боялись, что после того, как будет синтезирован такой штамм, может быть, он убежит из лаборатории, может быть, его гены не стоит выкладывать в открытый доступ, потому что кто-нибудь злонамеренно сможет такое синтезировать. Тем не менее в результате мы знаем, какими свойствами должен обладать тот штамм, который научится передаваться между млекопитающими. Оказывается, что кроме реассортации ему достаточно накопить всего лишь небольшое количество мутаций, порядка пяти, и часть этих мутаций уже присутствует в природных популяциях. Возможно, что штамм птичьего гриппа, который может распространяться между млекопитающими, не за горами.
Мы в свое время показали, что реассортации ускоряют последующее накопление точных одиночных мутаций, поэтому возникнуть такой штамм может еще быстрее, чем мы думаем. Тем не менее предсказание того, какой из природных штаммов вируса представляет эпидемическую опасность для человека, — это очень важная область науки. Это то, чего мы делать пока практически не умеем.
Георгий Базыкин
Кандидат
биологических наук, PhD Принстонского университета, зав. сектором
молекулярной эволюции ИППИ РАН, ведущий научный сотрудник Факультета
биоинженерии и биоинформатики МГУ
