6 января 2021, 00:00

Генетические варианты SARS‑CoV‑2: каково их значение?

Генетические варианты SARS‑CoV‑2: каково их значение?

Оригинал: Genetic Variants of SARS-CoV-2—What Do They Mean?

Автор: Adam S. Lauring, MD, PhD; Emma B. Hodcroft, PhD

Опубликовано: JAMA, 6 января 2021 г.

Перевод: Полина Дроздова, Фонд медицинских решений «Не напрасно!»

Редакция: Евгения Фрей, Фонд медицинских решений «Не напрасно!»

Во время пандемии SARS‑CoV‑2 специалистам приходится иметь дело новыми вариантами вируса. Каждое такое событие привлекает внимание научного сообщества и СМИ, а политики призывают «сохранять спокойствие» или, наоборот, «принимать решительные меры». Чтобы понять, какие варианты более опасны и почему, необходимо разобраться в эволюции вируса и генетической эпидемиологии SARS‑CoV‑2.

Мутации, варианты и их распространение

Мутации — это «побочный продукт» репликации вируса (1). Мутации у РНК-содержащих вирусов обычно возникают чаще, чем у ДНК-содержащих. Коронавирусы относятся к РНК-содержащим вирусам, однако частота мутаций у них относительно низкая благодаря ферменту, корректирующему некоторые ошибки репликации. В большинстве случаев судьбу новой мутации определяет естественный отбор: частота мутаций, предоставляющих вирусу преимущество в репликации, облегчающих передачу вируса или позволяющих избегать иммунного ответа, будет увеличиваться, а мутации, которые снижают приспособленность вируса, с высокой вероятностью исчезнут. Однако частота мутаций может меняться и в силу случайных событий. Так, «эффект основателя», возникающий при основании новой популяции малым числом вирусных частиц, приводит к тому, что присутствовавшие в этих предковых вирусах мутации будут доминировать вне зависимости от их влияния на приспособленность вируса. Такое же взаимодействие естественного отбора и случайных событий направляет эволюцию вируса в организме-хозяине, в человеческих популяциях и в разных странах.

Хотя термины «мутация» (mutation), «вариант» (variant) и «штамм» (strain) часто используют как взаимозаменяемые, важно определить их различия. Мутация описывает конкретное изменение нуклеотидной последовательности (как следствие, может изменяться последовательность аминокислот: например, D614G — замена остатка аспартата на остаток глицина в положении 614 спайкового гликопротеина). Варианты — это геномы, которые отличаются по нуклеотидной последовательности; этот термин не очень точен, поскольку два варианта могут различаться одной или более мутациями. Вариант называют штаммом, если он отличается по фенотипу (например, по иммуногенности, эффективности передачи или вирулентности).

При оценке нового варианта SARS‑CoV‑2 необходимо ответить на ряд вопросов. Вариант достиг существенной частоты в силу естественного отбора или случайных причин? Если верно первое: какие мутации поддержал отбор? Каково их адаптивное преимущество и как они влияют на передачу, распространение, иммуногенность и вирулентность?

Мутация D614G в спайковом белке

Мутация D614G в спайковом гликопротеине SARS‑CoV‑2 была выявлена в начале марта 2020 г. и распространилась по миру в течение месяца (2). Исходно считали, что она возникла независимо в разных регионах, поэтому предполагали, что ее частота увеличивается за счет естественного отбора и мутация имеет адаптивное преимущество. Затем при секвенировании эту мутацию обнаружили в образцах, полученных в январе в разных провинциях Китая. Возникло предположение, что распространение вирусов, несущих мутацию 614G, связано с эффектом основателя.

Специалисты начали сомневаться в адаптивности мутации D614G, несмотря на полученные in vitro данные о том, что она влияет на связывание с рецепторами. Анализ 25 000 образцов из Великобритании показал, что вирусы с 614G распространяются быстрее и основывают большие филогенетические кластеры, чем вирусы с 614D (3), однако размер эффекта был небольшим, и модели не всегда достигали статистической значимости. Недавно при работе с животными моделями было показано, что вирусы с 614G передаются более эффективно (4,5).

Мутация N453Y в спайковом белке и норки

В конце весны 2020 г. на норковых фермах в Нидерландах и Дании были зарегистрированы вспышки SARS‑CoV‑2 (6). Исследование вспышки в Нидерландах показало, что коронавирус передавался от людей к норкам, между норками и от норок к людям (7). В начале ноября 2020 г. власти Дании сообщили о 214 случаях заражения людей COVID‑19, связанных с норковыми фермами. Во многих вирусных последовательностях из Нидерландов и Дании обнаружили мутацию Y453F в рецептор-связывающих доменах спайкового белка, которая может увеличивать эффективность связывания с ангиотензинпревращающим ферментом 2 (АПФ‑2) у норок. В 11 образцах из Дании был выявлен вариант, названный кластером 5; в нем были найдены три дополнительные мутации в спайковом белке (del69_70, I692V и M1229I). Предварительное исследование девяти образцов реконвалесцентной плазмы показало, что нейтрализационная активность плазмы против вирусов из кластера 5 несколько снижена; однако эффект был небольшим и не всегда достигал статистической значимости. Тем не менее адаптация SARS‑CoV‑2 к новому промежуточному хозяину — норкам — вызывает опасения. Постоянная эволюция SARS‑CoV‑2 и появление новых резервуаров вируса среди животных может привести к образованию новых вариантов SARS‑CoV‑2 и их межвидовой передаче. Поэтому во многих странах на норковых фермах усилили эпидемиологический контроль, а в некоторых случаях провели масштабное сокращение популяции животных.

Линия B.1.1.7 и N501Y

Линия B.1.1.7 (которую также называют 501Y.V1) — это филогенетический кластер, быстро распространяющийся в юго-восточной Англии (8). Ее обнаружили в начале сентября, и к этому моменту линия накопила уже 17 характерных мутаций, что говорит о долгой предшествующей эволюции (возможно, в ситуации хронической инфекции). К 28 декабря 2020 г. в Англии на долю этого варианта вируса приходилось 28 % случаев инфицирования SARS‑CoV‑2, и популяционно-генетические модели позволяют предположить, что скорость его распространения на 56 % выше, чем у других линий (9). В отличие от D614G, вариант B.1.1.7 распространился в разгар пандемии SARS‑CoV‑2, что является существенным аргументом в пользу естественного отбора вируса, лучше распространяющегося в популяции. Хотя стандартные меры защиты — маски, социальная дистанция и ограничение публичных мероприятий — должны быть по-прежнему эффективны, контроль нового варианта может потребовать более масштабного и строго их применения. Восемь мутаций в линии B.1.1.7 локализованы в спайковом гликопротеине (например, N501Y в рецептор-связывающем домене, делеция 69_70 и P681H в участке разрезания фурином). Любая из них может влиять на связывание с АПФ‑2 и репликацию вируса. Предполагают, что варианты с 501Y имеют большую аффинность к человеческому АПФ‑2. Еще один вариант с мутацией N501Y быстро распространяется в Южной Африке. Влияние этих мутаций на иммуногенность пока неясно.

Иммуногенность и эффективность вакцин

Пока при изучении вариантов SARS‑CoV‑2 основное внимание уделяют мутациям в спайковом гликопротеине, который является главной мишенью нейтрализующих антител и основным антигеном в вакцинах. Чрезвычайно важно узнать, помогают ли мутации в спайковом белке уклониться от антител хозяина и могут ли они снижать эффективность вакцин. Пока отбор варианта на уровне популяции, вероятно, не связан с антителами хозяина, поскольку иммунных людей немного. Если вирус с одной или несколькими мутациями в спайковом белке будет передаваться активнее, он может быстро заменить другие циркулирующие в популяции варианты. Поскольку нынешние вакцины возбуждают иммунный ответ на весь спайковый белок, можно надеяться, что несколько замен в антигенных сайтах вариантов SARS‑CoV‑2 не помешают развитию эффективной защиты.

Анализируя данные по нейтрализации вариантов спайкового белка антителами, следует разделять причину и следствие. Разумно предположить, что многие мутации могут влиять на нейтрализацию реконвалесцентной сывороткой, поэтому важно учитывать степень изменения нейтрализации и число образцов сыворотки. Другой важный аспект состоит в том, что эволюция гликопротеинов нередко основана на компромиссах. Бывает, что мутация усиливает одно свойство вируса (например, связывание с рецепторами), но ослабляет другое (например, избегание антител хозяина), как в случае с D614G (10). Возможно, что сейчас мутации в спайковом белке выгодны для вируса, но позже они снизят его приспособленность на фоне коллективного иммунитета. Для уточнения этого вопроса потребуется масштабный мониторинг.

Ссылки

  1. Grubaugh ND, Petrone ME, Holmes EC. We shouldn’t worry when a virus mutates during disease outbreaks. Nat Microbiol. 2020;5(4):529-530. doi:10.1038/s41564-020-0690-4
  2. Korber B, Fischer WM, Gnanakaran S et al; Sheffield COVID-19 Genomics Group. Tracking changes in SARS-CoV-2 spike: evidence that D614G increases infectivity of the COVID-19 virus. Cell. 2020;182(4):812-827.e19. doi:10.1016/j.cell.2020.06.043 
  3. Volz E, Hill V, McCrone JT et al; COG-UK Consortium. Evaluating the effects of SARS-CoV-2 spike mutation D614G on transmissibility and pathogenicity. Cell. 2020; S0092867420315373.
  4. Plante JA, Liu Y, Liu J et al. Spike mutation D614G alters SARS-CoV-2 fitness. Nature. Published online December 23, 2020. doi:10.1038/s41586-020-2895-3
  5. Hou YJ, Chiba S, Halfmann P et al. SARS-CoV-2 D614G variant exhibits efficient replication ex vivo and transmission in vivo. Science. 2020;370(6523):1464-1468. doi:10.1126/science.abe8499
  6. European Centre for Disease Prevention and Control. Detection of new SARS-CoV-2 variants related to mink. Posted November 12, 2020. Accessed January 3, 2021. ecdc.europa.eu
  7. Oude Munnink BB, Sikkema RS, Nieuwenhuijse DF et al. Transmission of SARS-CoV-2 on mink farms between humans and mink and back to humans. Science. 2020; eabe5901. doi:10.1126/science.abe5901
  8. Rambaut A, Loman N, Pybus O et al; COVID-19 Genomics Consortium UK. Preliminary genomic characterisation of an emergent SARS-CoV-2 lineage in the UK defined by a novel set of spike mutations. Virological.org. Posted December 16, 2020. Accessed January 3, 2021. virological.org
  9. Davies NG, Barnard RC, Jarvis CI et al. Estimated transmissibility and severity of novel SARS-CoV-2 Variant of Concern 202012/01 in England. CMMID. Preprint published online December 23, 2020. Updated December 31, 2020. doi:10.1101/2020.12.24.20248822
  10. Weissman D, Alameh M-G, de Silva T et al. D614G spike mutation increases SARS CoV-2 susceptibility to neutralization. Cell Host Microbe. 2020; S193131282030634X.