Что такое мутирование вируса
Так ли страшны новые штаммы? Ответы на самые важные вопросы о мутациях коронавируса
Появление новых штаммов коронавируса, имеющих необычные свойства, вызывают тревогу людей во всем мире. Руководитель научной группы разработки новых методов диагностики заболеваний человека Центрального научно-исследовательского института эпидемиологии Роспотребнадзора Камиль Хафизов рассказал о том, что сейчас известно о мутациях COVID-19 и нужно ли будет ежегодно от него прививаться, как мы это делаем в случае с гриппом.
— Сколько всего штаммов коронавируса выявлено на сегодняшний день в мире?
— В первую очередь стоит обратиться к определению штамма вируса как некоторого варианта патогена, который обладает уникальными и стабильными фенотипическими характеристиками. При этом стоит отметить, что вирусы, особенно РНК-содержащие, постоянно мутируют, перебирая разные варианты изменений в геноме, и даже внутри одного человека может содержаться множество версий одного вируса, отличающихся отдельными изменениями в геноме, которые далеко не всегда приводят к образованию нового штамма.
Варианты SARS-CoV-2 циркулируют во всем мире, и после появления некоторые варианты довольно быстро исчезают, другие, наоборот, закрепляются в популяции, процесс динамический. Сколько всего штаммов нового коронавируса существует в природе на данный момент, неизвестно, в том числе из-за размытости самого понятия и факта того, что свойства многих геновариантов вируса пока не изучены.
Так, популярный ресурс PANGO lineages выделяет значительное число отдельных линий патогена, и различные организации во всем мире изучают варианты вируса, чтобы понять, являются ли они более контагиозными, изменяющими тяжесть течения заболевания, детектируемыми доступными диагностическими тестами, отвечающими на терапию, изменяющими эффективность вакцин против COVID-19 и т.п. Потому куда чаще термин «штамм» используется для каких-то особо интересных вариантов патогена, как, например, британского или южноафриканского, которые характеризуются ключевыми изменениями в геноме и имеют важные (часто выгодные патогену) свойства. Так, было введено понятие VoC (от англ. Variants of Concern. — Прим. ред.) — «варианты, вызывающие беспокойство», к которым сейчас причисляют несколько штаммов, включая вышеперечисленные.
— Сколько из них есть в России?
— Строгого ответа нет. Какая-то доля всех штаммов коронавируса, которые распространяются на планете, есть уже и в России, какие-то будут завезены в будущем, какие-то появятся у нас в стране независимо. Ученые во многих лабораториях в мире и в нашей стране сейчас проводят активную работу по секвенированию геномов патогена из различных регионов, чтобы как можно быстрее выявлять новые варианты, мониторить скорость их распространения, устанавливать источники заносов из-за рубежа, определять свойства, корректировать тест-системы в случае необходимости. Из известных штаммов в РФ были выявлены британский, южноафриканский, индийский и несколько локальных.
— Какие штаммы коронавируса самые опасные и проникают внутрь всего организма, а какие — наоборот?
— Как уже говорил выше, само определение штамма подразумевает новые стойкие свойства патогена. Чаще всего приходится иметь дело либо с повышенной заразностью вируса (как, например, в случае с британским штаммом, который, по различным оценкам, примерно на 50% более заразен, чем другие, «старые» версии), либо же со снижением эффективности связывания с нейтрализующими антителами, возникшими после вакцинации или перенесенного ранее заболевания (так в случае с южноафриканским вариантом).
При этом сразу хотел бы отметить, что уменьшение эффективности вовсе не означает отсутствие защиты, но она может быть несколько снижена. В любом случае всячески выступаю за вакцинацию, которая если и не защитит на 100% от заболевания, то может кардинально снизить тяжесть его протекания.
— Какие штаммы наиболее всего распространены в Москве, какими больше всего болеют в России?
— За последнее время мы видим несколько сотен завозов британского штамма как по России, так и в Москве, что вполне ожидаемо ввиду его свойств. Появляются и некоторые локальные российские версии вируса, у которых встречаются мутации в геноме, характерные для британского и южноафриканского вариантов, но пока преждевременно говорить о том, что они действительно обладают какими-то особыми для людей свойствами. По этой же причине мы не хотели бы сейчас раздавать новые имена таким вариантам, по крайней мере до накопления достаточного объема данных.
— От всех ли штаммов болезнь длится одинаково или есть разница?
— В какой-то момент появилась информация, что пациенты с британским вариантом инфекции болеют тяжелее, и летальность в таких случаях выше. Это впоследствии было опровергнуто другими исследованиями, и с тех пор я не видел новой информации. Похожая информация появлялась и про калифорнийский вариант.
Нужно отметить, что тяжесть протекания заболевания зависит от множества факторов, и, как известно, многие вообще переносят болезнь бессимптомно, кто-то же крайне тяжело. Такие факторы, как наличие сопутствующих заболеваний, общее состояние организма, возраст, играют существенно большую роль в развитии тяжелой болезни, чем наличие мутаций в геноме патогена, по крайней мере известных на данный момент.
— Может ли бы такое, что к одному штамму коронавируса у человека есть иммунитет, а к другому нет?
— Перенесенная ранее коронавирусная инфекция или вакцинация в норме вызывают иммунный ответ, и в результате в организме появляются нейтрализующие антитела, хотя защита обусловлена не только ими, потому не стоит пугаться, даже если уровень антител невысок или падает. Но да, мы уже знаем, что ряд мутаций в геноме нового коронавируса приводит к изменениям в структуре его белков, придавая патогену новые свойства, иногда удачные для патогена, в том числе с точки зрения снижения связывания нейтрализующими антителами. Потому точно ответить, что к одному штамму у человека есть иммунитет, а к другому нет, нельзя, но эффективность защиты может быть разной, в зависимости от того, с каким новым вариантом вируса вновь встретился пациент.
В связи с этим достаточно вероятна ситуация, что вакцины против нового коронавируса придется периодически обновлять и иммунизироваться ежегодно, как это сейчас происходит с тем же вирусом гриппа. Думаю, к осени мы накопим достаточное количество данных по эффективности существующих вакцин против новых штаммов. Потому еще раз говорю: на данный момент известных причин избегать вакцинации нет, если только нет прямых противопоказаний по состоянию здоровья.
Почему грипп мутирует
Многие считают, что грипп – это почти синоним тяжелой простуды. Часто при гриппе пациенты даже не посещают врача, переносят болезнь на ногах и никак не лечатся. Но эта вирусная инфекция далеко не так безобидна, как может показаться. Грипп утяжеляет течение хронических заболеваний легочной и сердечно-сосудистой системы.
Распространен грипп практически повсеместно и может поразить любого из нас. Примерно 60% детей и 40% взрослых, обратившихся в поликлинику с симптомами ОРЗ, болеют именно гриппом.
Особенности вирусных инфекций
Вирусы являются возбудителями множества заболеваний, причем поражают они не только человека, но и животных, растения, а некоторые – даже микробов. К вирусным инфекциям относятся такие смертельно опасные болезни, как бешенство, натуральная оспа, полиомиелит.
Формирование иммунитета
Что такое мутация вирусов
Итак, именно белковая оболочка вируса – это субстрат для образования специфических антител. Стоит структуре вирусных белков хоть немного поменяться – и выработанная защита организма уже не будет эффективна. Следовательно, даже в результате небольших изменений оболочки возбудителя болезнь может наступить снова.
Почему мутирует вирус гриппа, версия № 1
Исследуя возбудитель гриппа, ученые заметили, что при заражении клеток вирусом в итоге образуются не только его точные копии, но и частицы с измененной белковой структурой. Как известно, синтез белка происходит на основании последовательности фрагментов нуклеиновой кислоты вируса. Почему изменяются нуклеиновые кислоты? Откуда появляются в них новые фрагменты?
Результаты эксперимента буквально загнали исследователей в тупик. Они не могли ответить на эти вопросы, пока не исследовали вирусные инфекции представителей животного мира. Дело в том, что животные и птицы, например, киты и утки тоже подвержены воздействию вируса, похожего на возбудитель гриппа.
Это открытие привело ученых к предположению о том, что мутация вируса гриппа является результатом взаимодействия живых организмов и обмена вирусными частицами с разной структурой между собой.
Данная гипотеза имеет право на жизнь и поддерживается многими биологами. Но в то же время на ряд вопросов ученым еще только предстоит найти ответы. Например, как новые варианты вирусов, которые образуются в организме животного, могут быть заразны для людей? Ведь чаще всего возбудители болезней птиц и млекопитающих не способны вызвать заболевание у человека (очевидное исключение из этого правила – бешенство).
Кроме того, выведенные в лабораторных условиях гибриды человеческого и животного вирусов гриппа нежизнеспособны или крайне неактивны. Этот факт тоже ставит под сомнение правильность вышеизложенной догадки.
Версия № 2
Существует вид мутационной изменчивости вирусов, который носит название антигенного дрейфа. Изучая кровь пожилых людей, исследователи обнаружили в ней антитела к вирусам, уже не циркулирующим в природе, а также к тем частицам, которые выявлены еще не были.
Это явление объясняется постепенным накоплением небольших мутаций в структуре вируса за счет ошибок в процессе копирования генома. Когда точечных ошибок становится много, организм возбудитель воспринимается организмом как совершенно новый.
Как мутация вируса гриппа влияет на нашу жизнь
Существует немало вирусных заболеваний, переболев которыми, человек получает стойкий иммунитет. Многие из них смертельно опасны. Поэтому разработаны вакцины, формирующие устойчивую защиту организма. К ним относится, например, прививка против полиомиелита.
С гриппом ситуация гораздо сложнее. Новую вакцину приходится разрабатывать каждый год. Соответственно, прививаться тоже рекомендуется ежегодно. Ведь иммунитет выработается только к тому штамму вируса, который циркулирует на данный момент. Вакцина применяется обычно осенью. А уже к весне вирус может мутировать до неузнаваемости.
Именно поэтому человек в течение жизни может болеть гриппом много раз.
Почему же вирус гриппа настолько подвержен мутациям? Наверное, истина где-то посередине двух точек зрения. Науке предстоит совершить еще немало открытий до того, как одна из теорий станет единственно верной и экспериментально доказанной. Возможно, именно тогда человечество сможет разработать и применить такие меры профилактики и борьбы с вирусом, которые позволят навсегда забыть о том, что такое грипп.
Все представленные на сайте материалы предназначены исключительно для образовательных целей и не предназначены для медицинских консультаций, диагностики или лечения. Администрация сайта, редакторы и авторы статей не несут ответственности за любые последствия и убытки, которые могут возникнуть при использовании материалов сайта.
Мутации коронавируса в свете третьей волны пандемии инфекции COVID-19
6 мая
Неблагополучная эпидемиологическая обстановка в мире, резкое увеличение заболеваемости в станах Европы и Америки, наличие новых, мутировавших штаммов вируса SARS-CoV-2 свидетельствуют о возможных рисках начала 3-й волны пандемии и в Российской Федерации.
По данным на конец апреля 2021 года, общее количество зараженных вирусом SARS-CoV-2 в мире составляет более 142 млн. человек, число погибших – более 3 млн. Таким образом, количество случаев заражения за последние 2 недели – с 06.04.21 по 19.04.21 увеличилось на 10 млн. человек. В России на эту же дату общее число заболевших составляет более 4,5 млн. человек, погибших – более 105 тысяч человек.
Приведенные сведения убедительно свидетельствуют о 3-й волне пандемии, которая официально зафиксирована во многих странах мира. Данные обстоятельства связаны с формированием и широким распространением штаммов коронавируса SARS-CoV-2, подвергшимся генетическим мутациям.
Мутация представляет собой молекулярно-биологический процесс, когда в процессе вирусной репликации происходят «сбивки» на этапах транскрипции и трансляции, т.е. во время «перезаписи» генетического кода с РНК вируса на ДНК клетки хозяина. Такие ошибки в ДНК приводят к формированию измененных генов, кодирующих белки вируса, вследствие чего появляются такие новые вирусы-мутанты, с измененными свойствами собственных белков.
Главные мутации короновируса происходят в гене гликопротеинового S-белка. Так, мутация в S белке приводит к замене аспарагиновой аминокислоты (сокращенно D) на аминокислоту глицин (сокращенно G). Американские исследователи экспериментально показали, что давно обсуждаемая мутация D614G в гене S-белка коронавируса SARS-CoV-2 повышает его инфекционность, поэтому данный вариант вируса распространяется быстрее. Вирусный белок с такой мутацией также и более стабилен. Мутации в рецептор-связывающем домене (RBD-receptor binding domain), обладают более высоким сродством к рецептору ангиотензин-превращающего фермента 2 типа (АСЕ2) эпителиальных клеток человека, что позволяет коронавирусу увереннее в них проникать.
Основные мутационные линии вируса SARS-CoV-2:
3. «Бразильский» штамм коронавируса. Название: B.1.1.248. «Бразильский» штамм наиболее заразный на сегодняшний день. Он обладает устойчивостью к иммунитету, приобретенному после первой волны коронавируса. Итак, основная мутация коронавируса содержится в гене, кодирующем синтез S-белка («шипа», Spike). Данная мутация характерна и для двух других штаммов — «южноафриканского» и «бразильского». Эта мутация, изменяет форму «шипа» (S-белка), с помощью которого он эффективнее прикрепляется к рецептору ACE2. По данным авторов, «британский» штамм с указанной мутацией на 50-70% заразнее, чем классический вирус SARS-CoV-2.
7. Сибирский и Северо-западный штамм короновируса. Это вновь формируемые новые мутации на территории России. Пока данных об этих штаммах немного, но известно, что мутации также происходят в зоне гена, ответственного за S-белок.
По данным Роспотребнадзора на 16 апреля 2021 года в РФ идентифицированы 192 образца британского штамма, 21 – южноафриканского штамма.
Исследователи из Великобритании сообщили, что риск смерти у людей, зараженных «британским» штаммом B.1.1.7, выше, чем у зараженных другими штаммами, в среднем на 64%. Абсолютный риск смерти возрастает от 2,5 до 4,1 смертей на 1000 случаев заражения.
Ученые из Кейптауна и Йоханнесбурга (ЮАР) исследовали антитела у 89 человек, госпитализированных с COVID-19 в начале 2021 года. Авторы показали, что COVID-19, перенесенный во время первой волны, не дает защиты от некоторых новых вариантов вируса. Однако у людей, инфицированных «южноафриканским» штаммом SARS-CoV-2, есть нейтрализующие антитела против старых вариантов вируса, а также против «бразильского» штамма.
Ученые из США исследовали когорту беременных и кормящих матерей, получивших вакцину Pfizer/BioNTech или Moderna. Они показали, что уровни IgG, IgA и IgM к S-белку и рецептор-связывающему домену (RBD) увеличивались в крови женщин из обеих групп. Антитела, особенно IgG, передавались ребенку через плаценту и материнское молоко. Авторы показали, что материнские IgG могут преодолевать плацентарный барьер. IgG к S-белку и RBD-домену были обнаружены во всех десяти образцах пуповинной крови. Уровень антител к SARS-CoV-2 был значительно выше у вакцинированных женщин, чем у переболевших COVID-19 а концентрация IgG в крови матери увеличивалась после второй дозы вакцины.
Данный факт свидетельствует в пользу проведения вакцинации данного контингента.
Японские ученые, в частности Yoriyuki Konno с соавторами в работе 20 года показали, что белок, экспрессируемый с гена ORF3b нового коронавируса SARS-CoV-2 сильно подавляет синтез интерферонов I типа у пациентов с COVID-19./ При этом вирус чувствителен к интерферонам, что говорит об их потенциальной эффективности для терапии коронавирусной инфекции [13].
В этой связи, в клиническом плане представляется целесообразным в качестве мер активной противовирусной защиты обеспечить пациентам назначение препаратов рекомбинантного интерферона –α2b с антиоксидантами, как в довакцинный период, когда идет процесс образования вируснейтрализующих антител, так и в поздний поствакцинный период, когда титр антител после проведенной вакцинации начинает снижаться.
Вирусы и механизмы возникновения их мутаций
Вирусология занимает важное место среди биологических дисциплин. Современный медицинский или ветеринарный специалист должен знать не только клинико–патологическую сторону заболевания, но и иметь четкое представление о вирусах, их свойствах, методах лабораторной диагностики и свойствах постинфекционного и поствакцинального иммунитета.
Вирус (от лат. virus — яд) является простейшей неклеточной формой жизни в виде микроскопической биологической частицы, представляющей собой молекулы нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), заключённых в защитную белковую оболочку (капсид) и способные инфицировать живые организма. 
Мутации у вирусов
Поэтому ни структура белка, ни его биологические свойства не нарушаются. Природа использует своего рода синонимичный язык и, заменяя один кодон другим, закладывает в них одно и то же понятие (аминокислоту), тем самым сохраняя естественную структуру и функцию синтезируемого белка.
Другое дело, если аминокислота кодируется только одним триплетом, например, синтез триптофана кодируется и заменяется только триплетом УГГ, то есть синонимом, который отсутствует. В этом случае в белок включается еще одна какаялибо аминокислота, которая может привести к появлению мутантного признака.
Аберрация в фагах вызвана делециями (потерями) различного числа нуклеотидов, от одной пары до последовательности, вызывающей одну или несколько функций вируса. Как спонтанные, так и индуцированные мутации также делятся на прямые и обратные мутации. Мутации могут иметь разные последствия. В некоторых случаях они приводят к изменению фенотипических проявлений в нормальных условиях.
Например, увеличивается или уменьшается размер бляшек под агарным покрытием; увеличивается или ослабевает вирулентность для определенного вида животных; вирус становится более чувствительным к действию химиотерапевтического агента и т. д. 
В других случаях мутация является фатальной, поскольку она нарушает синтез или функцию жизненно важного вирусного белка, например, такого как вирусная полимераза. В некоторых случаях мутации являются условно летальными, так как вирусспецифический белок сохраняет свои функции при определенных условиях и теряет эту способность в неразрешающих (непермиссивных) условиях.
Типичным примером таких мутаций являются термочувствительные – ТS-мутации, при которых вирус теряет способность к размножению при повышенных температурах (+39-42°С), сохраняя эту способность при нормальных температурах роста (+36-37°С). Морфологические или структурные мутации могут влиять на размер вириона, первичную структуру вирусных белков и изменения в генах, определяющих ранние и поздние вирусные ферменты, обеспечивающие размножение вируса. Мутации также могут быть различными по своему механизму.
Изменения могут влиять на размер, форму, патогенность, антигенную структуру, тканевую тропность, устойчивость к физико-химическим воздействиям и на другие свойства вирусов. Значение причин, механизмов и характера изменений имеет большое значение при получении необходимых вакцин для вирусных штаммов, а также для разработки эффективных мер борьбы с вирусными эпизодами, в ходе которых, как известно, свойства вирусов могут существенно изменяться.
Мутация вирусов может происходить в результате химических изменений цистронов или нарушения последовательности их расположения в структуре молекулы вирусной нуклеиновой кислоты. В зависимости от условий различают естественную изменчивость вирусов, наблюдаемую в нормальных условиях размножения, и искусственную изменчивость, получаемую в результате многочисленных специальных пассажей или воздействия на вирусы определенных физических или химических факторов (мутагенов). В обычных природных условиях изменчивость проявляется не во всех вирусах одинаково.
Этот признак наиболее заметен у вируса гриппа и вирус ящера. Значительная изменчивость отмечается у вируса гриппа. Об этом свидетельствует большое количество вариантов у разных типов этих вирусов, а также значительные изменения его антигенных свойств в конце почти каждой эпизоотии.
Частота мутаций и механизмы их возникновения
Мутации бактериофагов изучались очень интенсивно не только с целью генетического анализа, но и с целью получения информации о свойствах самих фагов. Частота появления мутантов в потомстве фагов варьируется очень сильно: например, одни мутанты образуются с частотой не более 10, а другие-с частотой 10 и выше. Неблагоприятное воздействие высокочастотных мутаций обычно компенсируется эффектом отбора. Например, мутантный фаг может быть заменен диким типом, что дает более высокий выход фага. Высокая частота вспышек обычно характерна для таких мутаций, которые могут происходить как во многих локусах, так в одном и том же локусе.
В тех случаях, когда нормальный признак соответствует функциональной форме гена, а мутант появляется в результате изменения в любой точке локуса, частота прямых мутаций окажется выше, чем частота обратных мутаций, так как обратные мутации должны приводить к восстановлению нормального состояния. Иногда ревертанты на самом деле являются псевдоревертантами: это происходит либо из-за изменений в другом гене (мутации-супрессоры), либо из-за изменений в том же гене, которые вызывают другую, но также активную форму продукта.
У зрелых фагов частота спонтанных мутаций очень мала, но они могут быть индуцированы под влиянием таких мутагенных факторов, как рентгеновские или ультрафиолетовые лучи, азотистая кислота, гидроксиламин или алкилирующие агенты. Азотистая кислота дезаминирует основания нуклеотидов, а этилметилсульфат их этилирует. Гидроксиламин превращает шитозин в урацил. В результате ошибок, допущенных при репликации химически модифицированной нуклеиновой кислоты, происходят мутации, и потомство фагов, полученное из бактерии, содержит как нормальные, так и мутантные частицы. Однако, как и при обработке мутагенного фага, содержащего одноцепочную ДНК, образуется чистый мутантный клон.
Изучение мутационного процесса, происходящего при размножении фагов, непосредственно связано с анализом развития фагов. Давайте рассмотрим процесс спонтанной мутации. В бактериальной клетке, в которой произошла мутация фага, 6 образуются как нормальный, так и мутировавший фаги. Количество мутантных фаговых частиц, содержащихся в популяции фагов, происходящих из этой отдельной бактериальной клетки, очевидно, определяется характером размножения фагов, поскольку новые гены могут быть сформированы только путем репликации уже существующих. Если вероятность мутации одинакова для каждой репликации, то число мутантов зависит от механизма репликации.
Например, если каждая новая копия гена формируется независимо от других, то распределение мутантных копий в потомках фагов от разных инфицированных бактерий будет случайным. Если же, наоборот, каждая из полученных копий воспроизводится, то в свою очередь мутантные копии будут разделены на группы или клоны, состоящие из мутантных «сибсов».
Индуцированные хозяином модификации бактериофагов
Помимо мутаций, бактериофаги подвержены негенетическим изменениям, в которых главная роль принадлежит клетке-хозяину. Это явление было названо модификациями, вызванными хозяином. Значение этих модификаций для молекулярной биологии состоит в том, что они показали способность внутриклеточной среды вызывать такие изменения в химической структуре генетического материала, которые могут быть использованы для идентификации клеточных линий, синтезирующих ДНК.
Подобные явления были впервые обнаружены на фаговой ДНК, но они также справедливы и для каждой бактериальной клеточной ДНК. Есть также наблюдения, при которых это явление относится и к эукариотическим клеткам. В особых случаях могут возникнуть более сложные ситуации. Двустороннее ограничение фага двумя хозяевами иногда наблюдается, но оно не обязательно. Фаги, отторгнутые клетками, способны адсорбироваться на них и проникать в их ДНК добавляя часть собственной ДНК. Однако последняя часть быстро разрушается, и репликация не происходит.
Деградация ДНК вызывается специфическими эндонуклеазами (рестриктазами или R-нуклеазами), которые могут обнаруживать и расщеплять определенные участки ДНК, если они не были модифицированы под влиянием М-ферментов. После этого ДНК расщепляется экзонуклеазами на отдельные нуклеотиды. Бактериальный штамм может иметь одну или несколько R-нуклеаз и в то же время M-ферменты, которые защищают собственную ДНК клетки. Предложена удобная номенклатура этих ферментов. Согласно ряду данных, области детекции R-нуклеазы не всегда совпадают с областями расщепления ДНК; возможно, что фермент может мигрировать по цепочке до того, как найдет область, где происходит расщепление ДНК. Функциональная роль индуцированных хозяином модификаций неясна.
Они способны защитить этот штамм бактерий от массового уничтожения фагами, растущими на различных бактериях. В более общем плане роль модификаций можно определить как защиту от проникновения неприемлемой чужеродной ДНК в бактериальную клетку и ее последующего «приживления». Бактерия А, которая отвергает фаги, размноженные на штамме В, также отвергает ДНК бактерии В, когда она вводится путем конъюгации или трансдукции.
Как видим, мутирование вирусов проходит достаточно сложный и тернистый путь в приобретении новых вирулентных свойств. Эти свойства могут быть как ослабляющими для развития инфекционного процесса, так и крайне агрессивными в своём новом виде.