COVID-19: Ограниченная эволюция вируса и ее генетические пределы

Во время пандемии каждая новая мутация коронавируса укрепляла убеждение, что вирус постоянно меняется. Казалось, что его эволюционные возможности безграничны, и он всегда будет на шаг впереди.

Однако новые исследования ставят под сомнение это представление. То, что казалось непрерывной эволюцией, могло происходить в гораздо более узких рамках, чем предполагалось, что меняет наше понимание поведения вируса.

ГОСПОДСТВУЮЩАЯ ИДЕЯ С НАЧАЛА ПАНДЕМИИ

Несмотря на первоначальные опасения ученых относительно резкой и быстрой эволюции вируса COVID-19, недавние изменения вируса оказались относительно ограниченными. Вирус модифицировался путем комбинации уже существующих мутаций и не расширил количество генетических путей, по которым он может развиваться.

SARS-CoV-2 быстро эволюционировал после первой инфекции человека в конце 2019 года, порождая новые вирусные варианты со свойствами, позволяющими им успешно распространяться среди людей. Предыдущие исследования показали, что эти варианты не были тесно связаны с предшествующими основными циркулирующими вариантами, что заставило многих ученых полагать, что изменения в структуре спайкового белка (шипы или «корона» на знакомом микроскопическом изображении COVID-19) стимулировали эволюцию вариантов SARS-CoV-2, делая возможными новые мутации, ранее недоступные для вируса.

Пандемия SARS-CoV-2 стала самой тяжелой пандемией инфекционного заболевания за последние десятилетия, вызвав глобальную смертность, экономический ущерб и социальные потрясения. Тем не менее, ответ на пандемию с использованием современных технологий, таких как доступное массовое секвенирование, позволил собрать уникальный и значимый набор научных данных.

ЧТО НА САМОМ ДЕЛЕ ПРОИСХОДИЛО С ВИРУСОМ

Новая статья Центра изучения вирусов Университета Глазго (Великобритания), опубликованная в 'Genome Biology and Evolution' издательством Oxford University Press, указывает, что, хотя вирус COVID-19 быстро эволюционировал с 2019 года, он делал это в рамках ограниченных генетических каналов; эти генетические ограничения оставались неизменными.

Исследователи использовали обширные данные глобального секвенирования генома, определения структуры белков и специфические исследования, связанные с вирусом. Они применили обширные наборы данных по SARS-CoV-2 для изучения роли структурных ограничений белков в эволюции вируса и того, сделали ли изменения в структуре спайкового белка его более устойчивым.

Они применили множественные компьютерные предикторы структурных ограничений в различных структурных контекстах и оценили, как эти ограничения менялись в ходе эволюции вариантов SARS-CoV-2.

Исследование показало, что SARS-CoV-2 прошел несколько отчетливых фаз эволюции. Начальный период нейтральной диверсификации завершился в конце 2020 года, когда начали появляться множественно мутировавшие варианты. Всемирная организация здравоохранения классифицировала как вызывающие озабоченность варианты с подозрительными фенотипическими характеристиками, такими как повышенная передаваемость или способность уклоняться от иммунитета. Однако, несмотря на исключительно богатый и подробный набор данных, исследователи не обнаружили доказательств того, что структурные ограничения существенно изменились или повлияли на эволюцию вариантов S-белка SARS-CoV-2.

Несмотря на высокие темпы мутации и сильное селективное давление, S-белок SARS-CoV-2 находился под сильными структурными ограничениями после его передачи человеку.

ПОЧЕМУ ЭТО ОТКРЫТИЕ КЛЮЧЕВО СЕЙЧАС

По всей видимости, хотя SARS-CoV-2 быстро эволюционировал во время пандемии, существенных изменений в наборе структурно жизнеспособных мутаций не произошло. Результаты показывают, что появление вариантов было обусловлено не ослаблением структурных ограничений, а новыми комбинациями мутаций с функциональными генетическими взаимодействиями. Однако общая эволюция оставалась строго ограниченной стабильностью спайкового белка.

"Наше исследование изучает динамику эволюционных изменений SARS-CoV-2 в период после его передачи человеческой популяции. Мы обнаружили, что сильные ограничения, действующие на спайковый белок вируса, ограничивают возможные мутации", — заявляет ведущий автор статьи Джеймс Херциг. "Это помогает нам понять, как могут вести себя другие коронавирусы при переходе между видами, и может иметь важные последствия для разработки будущих вакцин и противовирусных препаратов".