Сравнив раннюю эволюцию SARS-CoV-2 с эволюцией его ближайших родственников, бета-коронавирусов, команда Небраски обнаружила, что мутации SARS-CoV-2 происходят практически в одних и тех же местах, как генетически, так и структурно.
По словам исследователей, мутационное сходство между SARS-CoV-2 и его предшественниками, включая заражающие человека SARS-CoV-1 и MERS-CoV, может помочь в прогнозировании дальнейшего развития вируса, вызывающего COVID.
«Проблема одновременного изучения только одного вируса заключается в том, что вы теряете лес ради деревьев», – сказала Кэтрин ЛаТурретт, докторант программы «Комплексные биосистемы» в Небраске. «Глядя на эту общую картину, мы смогли предсказать мутационную природу SARS-CoV-2.
"Это касается следующих вопросов: будут ли вакцины эффективными в долгосрочной перспективе??
Какие варианты собираются проскользнуть? Нужен ли нам этот бустерный выстрел??
Заразятся ли вакцинированные во второй раз?"
"Вы с большей вероятностью попадете в яблочко"
Генетический код вируса определяет его способность заражать клетки и заставляет их производить больше копий самого себя. Этот код состоит из фундаментальных соединений или нуклеотидов с мутациями, возникающими везде, где эти нуклеотиды добавляются, вычитаются или меняются местами.
Многие мутации имеют незначительный эффект или не имеют никакого эффекта, точно так же, как попытка взломать сложный пароль, изменив только один символ, скорее всего, потерпит неудачу.
Но при наличии достаточных шансов вирус в конечном итоге произойдет с мутацией или мутациями, которые изменят сборку его структурных соединений или аминокислот, достаточно, чтобы помочь ему лучше вторгаться в клетки и реплицироваться – преимущества, которые помогают ему превзойти другие штаммы.
В некоторых случаях новый штамм также может уклоняться от иммунных ответов, вызываемых существующими вакцинами, что требует разработки новых вакцин для защиты от него.
Латуретт и ее советник Эрнан Гарсиа-Руис были заняты сравнением мутационных паттернов вирусов, вторгшихся в другое биологическое царство – растения – когда разразилась пандемия SARS-CoV-2. Для этого исследователи анализировали сегменты секвенированной ДНК из параллельных участков геномов всех вирусов одного рода.
Они специально искали одноточечные мутации: сегменты, в которых был изменен только один нуклеотид. Выявляя их, команда выясняла, возникают ли определенные мутации в связанных вирусах растений, а затем прослеживала эти мутации до функциональных аминокислотных изменений в вирусах.
«Часто исследователи изучают конкретный растительный вирус», – сказал ЛаТурретт. "Они очень хорошо это знают.
Но наш вопрос был таков: общая картина, что делает род? Мы знаем, что вариации не случайны. Он накапливается в определенных областях генома, и эти области (иногда) совпадают по всему роду. Это, как правило, области, важные для таких вещей, как адаптация хозяина – в основном, области, которые должны будут постоянно меняться, чтобы продолжать совместное развитие с хозяином.
«Поэтому, когда случился COVID-19, мы подумали, что можем загрузить последовательности (бета-коронавируса) и пропустить их через конвейер и посмотреть, где происходит изменение."
Когда они это сделали, ЛаТурретт и ее коллеги обнаружили, что так называемый спайковый белок, который выступает из бета-коронавирусов и блокирует их проникновение в клетки-хозяева за счет связывания с рецепторами на поверхности, быстро мутирует во всех известных бета-коронавирусах, включая SARS-CoV-2.
Исследователи обнаружили, что несмотря на то, что на «гипервариабельный» спайковый белок приходится всего 17% генома SARS-CoV-2, на данный момент накоплено примерно 50% всех мутаций вируса.
Эти мутации возникают в тех же областях генома и даже в тех же субъединицах белка-шипа, что и в любом другом бета-коронавирусе на сегодняшний день.
«Все наши анализы показали, что именно здесь и происходят различия», – сказал ЛаТурретт. "Не имело значения, когда мы смотрели на него, какой вариант мы рассматриваем – спайковый белок был ключевым."
Команда также пришла к выводу, как и другие вирусологи, что спайковый белок SARS-CoV-2 неупорядочен – что, хотя его аминокислоты собираются в одну и ту же общую архитектуру, эта архитектура имеет то, что ЛаТурретт назвал «некоторой комнатой для маневра», которую можно немного изменить. разные конфигурации. По ее словам, это плохая новость, учитывая, что его структурная гибкость, вероятно, также дает ему некоторое функциональное пространство для маневра.
«У людей могут быть немного разные клеточные рецепторы от человека к человеку», – сказал ЛаТурретт. "Итак, у вас должен быть рецептор (спайковый белок), который может приспособиться к этим небольшим сдвигам. Если бы он был очень упорядочен, и он не мог сдвинуться, то, возможно, он не мог заразить всех.
Но, обладая такой гибкостью, это гораздо лучший вирус.
"По сути, эта область гипервариабельна, и она гибкая. Так что это двойной удар."
Эти качества по-прежнему будут делать SARS-CoV-2 грозным противником, которому потребуется бдительность, чтобы предотвратить его в обозримом будущем, сказал ЛаТурретт. Но знание его сильных сторон и того, что эволюционная история других бета-коронавирусов может служить разумным предварительным обзором этого будущего, должно помочь вирусологам и вакцинологам разработать соответствующую стратегию.
По мере развития SARS-CoV-2 вакцины, возможно, должны будут продолжать нацеливаться на характерный спайковый белок, но изучение мутационных паттернов бета-коронавирусов может помочь исследователям предсказать, какие области белка с наибольшей и наименьшей вероятностью будут мутировать.
И это может значительно упростить попадание в движущуюся цель, сказал ЛаТурретт.
«Если вы закроете глаза, когда бросаете дротик в мишень, он может улететь куда угодно», – сказала она. "Но, глядя на другой вид (бета-коронавирус), вы имеете представление о том, где он может приземлиться. И вы, скорее всего, попадете в яблочко."
Хотя Латуретт уже вернулась в царство растений, она сказала, что возможность адаптировать ее работу к такой неотложной цели оказалась приятной в то время, когда удовлетворения не хватало.
«Для нас переход от растений к коронавирусу был действительно положительным способом показать, что вы можете использовать свою науку и свои знания, и вы можете применить их на благо общества», – сказал ЛаТурретт. "За последние полтора года мы видели несколько действительно отличных примеров, когда группы совершали такой переход.
"Несмотря на то, что это очень трудное время, и есть много трудностей, я думаю, что действительно приятно видеть, как ученые объединяются и могут вместе вносить свой вклад в общее дело."
ЛаТуррет и Гарсиа-Руис, доцент кафедры патологии растений в Центре вирусологии Небраски, провели исследование с недавней выпускницей магистратуры Натали Холсте, докторантом Розальбой Родригес-Пена и Ракель Арруда Леме, приглашенным исследователем из Бразилии.
Команда, получившая поддержку Национальных институтов здравоохранения и США.S.
Национальный институт продовольствия и сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства недавно сообщил о своих выводах в Журнале вирусологии.