Вопрос науки. Как эволюционирует коронавирус?

Когда вирус SARS-CoV-2 впервые передался людям? Когда и откуда он попал в Россию? Как быстро он мутирует и поможет ли вакцина? О чем может рассказать эволюционное дерево коронавируса?

Рассказывает доктор биологических наук, профессор «Сколтеха», заведующий сектором молекулярной эволюции Института проблем передачи информации РАН Георгий Базыкин — гость программы «Вопрос науки» с Алексеем Семихатовым.

Как человечество получило вирус?

Сегодня мы говорим про возникновение нового патогена, которого никогда не было прежде. Человечество никогда с ним раньше не встречалось. Этот вирус мог эволюционировать, и он это сделал. Мы знаем, что он это делал в других видах животных, а вот в человеке его раньше не было.

Для того чтобы это произошло, необходимо стечение нескольких обстоятельств. Необходимо, чтобы этот вирус, во-первых, генетически приобрел возможность распространяться и передаваться между людьми, размножаясь в человеческих клетках. Во-вторых, необходимо, чтобы у него появилась возможность для такой передачи — собственно, тот самый исходный контакт.

И вот раз в несколько лет, иногда раз в несколько десятилетий, обстоятельства складываются таким образом, что такие события происходят. На нашей исторической памяти такое бывало многократно. Начиная с испанки 1918 года, которая, по-видимому, была передана от свиней, до других эпидемий, включая недавний свиной грипп 2009 года. И теперь вот коронавирус.

Иногда вирусу необходимы специальные генетические изменения для того, чтобы начать размножаться в людях. Иногда предыдущая адаптация, его приспособленность к каким-то предыдущим видам, в которых он распространялся до сих пор, оказывается достаточной для того, чтобы размножаться в человеке. И какая именно из этих двух ситуаций сработала в случае с этим коронавирусом, мы на самом деле не знаем. У него возникли некоторые мутации, сделавшие его приспособленным к передаче в человека. Эти мутации произошли до того, как он был передан в человека. Но, по-видимому, эти мутации одновременно также и были мутациями адаптации к тому виду, в котором он находился до этого: к летучим мышам.

Как мутирует коронавирус?

Что такое мутации? Это «опечатки» при копировании геномной последовательности. Такие мутации происходят со скоростью примерно 1 на 1000 в год, то есть очень быстро. Генетический материал у этого вируса — РНК. И с этим связано то, что он так быстро мутирует.

Впрочем, он мутирует немножко медленнее, чем другие знакомые нам РНК-вирусы. Примерно вдвое медленнее, чем вирус гриппа, и вчетверо медленнее, чем вирус иммунодефицита человека. Это связано с тем, что у этого коронавируса есть свои собственные механизмы, которые позволяют исправлять ошибки, сделанные при копировании этого текста.

Сейчас всех интересует прикладной вопрос: изменились ли свойства этого вируса за последние полгода, которые он эволюционирует в человеке? Как я сказал, он накапливает примерно 1 изменение на 1000 знаков в год. Геном у него — 30 000 знаков, а значит, сейчас, когда прошло примерно полгода, накопилось в среднем примерно 15 отличий от «предкового» генома.

У разных людей разные варианты этого вируса. И интересен сейчас вопрос: изменились ли с мутациями сами свойства этого вируса? Надежных данных в пользу этого мы пока не видим. Было несколько работ, которые говорили о том, что какой-то вариант этого вируса сильнее распространяется в Европе и приводит к большой смертности — например, в Италии. Какой-то вариант более распространен в Китае и приводит там к более низкой смертности. Проблема в том, что Италия и Китай отличаются слишком многим помимо того, какой именно вирус там ходит. И поэтому очень сложно оценить сами свойства вируса.Распространение в человеке оказывает влияние на эволюцию вируса. На вирус действует естественный отбор, такой, какой действует на любой другой биологический объект. В основном этот естественный отбор стабилизирующий или отрицательный. То есть те мутации, которые будут вирусу сильно вредить, не будут распространяться. Мы знаем на примерах с другими вирусами, что бывает ситуация, когда использование лекарственных средств приводит к возникновению лекарственной устойчивости в вирусе. Например, в ситуации с вирусом иммунодефицита это та причина, по которой недостаточно использовать никакой один конкретный препарат. Нужно использовать сочетание коктейлей препаратов.

Пока что никаких мутаций устойчивости у этого нового коронавируса мы не видим. Отчасти это из-за того, что мы просто не знаем никаких лекарств, которые против него были бы эффективны. То, как именно будет идти эволюция этого вируса: в сторону увеличения заразности, увеличения вреда, который он приносит человеку, или его уменьшения — это вопрос сложный и неоднозначный.

Поможет ли вакцина?

С одной стороны, вирусу интересно как можно быстрее распространяться. Ему не очень важно, что именно он делает со своим хозяином. Вирусу очень сложно распространиться широко, если он совсем не вредит хозяину. С другой стороны, вирусу, конечно, вредно убивать хозяина сразу. Потому что в такой ситуации он не передастся никуда. Этот хозяин будет для него, так сказать, тупиком. Поэтому в самом первом приближении можно говорить, что отбор действует на какую-то среднюю интенсивность вреда, который вирус приносит хозяину.

Сложно заранее сказать, в какую сторону будет идти эволюция этого коронавируса, если он будет оставаться с нами. Это будет процесс небыстрый. В ближайшие несколько месяцев волноваться из-за эволюции коронавируса нам точно не очень стоит. Нам нужно попытаться победить этот вирус в том виде, в котором он есть сейчас.

Если он будет мутировать, то в конце концов вакцина с большой вероятностью будет терять свою эффективность. Возможно, раз в несколько месяцев нам придется обновлять вакцину таким образом, каким мы это делаем с вирусом гриппа. Но сейчас очень важно получить какую-нибудь работающую вакцину. И, я думаю, что хотя бы какая-нибудь вакцина даст частичную защиту от всех вариантов этого вируса, которые сейчас циркулируют.

Когда появится вакцина, все будет очень сильно зависеть от того, насколько она будет эффективной, станет ли этот вирус новым подобием сезонного гриппа, будет ли возвращаться каждый год или же его, например, удастся искоренить полностью. Это покажет только время.

Когда и как вирус попал в Россию?

Мутации вируса очень интересны для новой науки, которая называется «геномная эпидемиология». Эпидемиология позволяет разбираться с тем, как именно передается вирус: от кого, кому и как. Стандартные методы — это опросы. Вот есть дядя Петя, он заразился, и нужно узнать, от кого именно он получил вирус. Приезжает врач, расспрашивает его: с кем он контактировал, какие могли быть источники и т. д.

С появлением геномики у нас в руках появился достаточно мощный инструмент. Когда известно, что за 15 дней происходит одна мутация в геноме SARS-CоV-2, за месяц — примерно две, то можно отследить путь его распространения. Разглядывая то, каким образом похожи или непохожи друг на друга разные варианты вируса, которыми болеют разные люди, можно пытаться восстанавливать историю его передачи. Сейчас довольно большие усилия направлены на то, чтобы это делать, в том числе и в России.

И это делается: отслеживаются и подсчитываются генетические последовательности от исходного вируса, которые приходят в разные регионы России. Занимаются этим несколько организаций: в их числе НИИ Смородинцева, Институт гриппа, центр «Вектор». Я им очень благодарен и признателен, потому что они делают все возможные молекулярные эпидемиологические исследования.

О чем нам говорят эти последовательности? Я по первой и основной своей специальности эволюционный биолог. Мы с коллегами строим эволюционное дерево, фокусируясь на последовательностях из России.Что же мы узнали? Первое, что мы видим: последовательности из России довольно сильно перемешаны со всякими другими последовательностями из разных других регионов. И это означает сразу, автоматически, что было много завозов этого вируса в Россию. То есть это не тот случай, что вирус один раз был привезен в Россию и после этого внутри страны распространялся. Нет, у него на нашем эволюционном дереве много маленьких веточек, много завозов.

Более того, мы можем датировать эти события. И первый вопрос, который мы можем задать: когда этот вирус появился в популяции человека? Нам известно, что он не мог циркулировать в октябре и в сентябре и, вероятнее всего, был передан людям в ноябре 2019 года.

Я могу говорить, что подавляющее большинство случаев завозов — это были завозы из Европы. Те же последовательности, которые были получены 15 марта в Швейцарии, мы увидели 20, 22, 25 марта в Москве и в Якутске. Это отличает Россию от США, где большая часть завозов были раньше и из Китая. Закрытие нашей границы с Китаем, даже если оно было неполным, по всей видимости, помогло и отсрочило начало вспышки. Но позже она все равно началась из-за множественных завозов из Европы.

Далеко не всегда можно источник установить однозначно. Часто бывает так, что эта «предковая» последовательность уже наблюдается в большом количестве разных стран и встречалась во многих разных странах. Тогда мы просто ничего сказать не можем. Но бывают такие случаи, когда мы можем что-то установить достаточно точно. Например, что завозы вируса в Краснодар и Оренбург случились из США. И мы сейчас как раз работаем над тем, чтобы увеличить эффективность этих эпидемиологических методов.

Мы можем попробовать использовать не только единственную мутацию, которая произошла, как сейчас это делаем, но и также разбираться с небольшими, низкочастотными вариантами, которые могут сразу по нескольку передаваться от одного человека другому. Может быть, это поможет установить эту эпидемиологическую историю более точно.

Зачем составляют биографию вируса?

В строго прикладном смысле такие исследования имеют не только исторический интерес. Допустим, в какой-то момент страна — например, Россия — начинает открывать границу и возникают новые случаи заражения. Встает вопрос: новые случаи — это новые завозы из-за границы или это следы уже имеющейся циркуляции в России, которая просто продолжается? Таким способом можно будет различить эти два сценария.

В контексте общей эпидемиологической истории мы сможем таким образом оценить скорость роста вспышки, даже если не знаем число случаев и недооцениваем уровень заражения — допустим, если тестирования нет вовсе, как в некоторых странах. Не имея ничего, кроме вот этих самых последовательностей, можно оценить только по форме эволюционного дерева, насколько быстро распространяется вирус. То есть это такой достаточно мощный инструмент, имеющийся в наших руках.

Можно сказать, составляется биография этого вируса. Она позволяет нам быстро узнать его тонкие свойства. Например, когда еще только появлялись в январе первые данные о том, насколько быстро этот вирус распространяется, из таких вот молекулярных эпидемиологических данных можно было узнать число R. Те, кто следит за эпидемиологией, знают, что это число описывает, сколько новых инфекций случается на уже существующую инфекцию.

R₀ — среднее число людей, которых один зараженный успевает заразить за время, пока сам не выздоровеет (прим. ред.).Это очень важное число в эпидемиологии, потому что, если оно больше единицы, значит, эпидемия растет, нужно всем сидеть дома и самоизолироваться, а если оно меньше единицы, то можно потихонечку начинать выпускать людей в магазины и кафе. Оценка этого числа — очень сложная вещь, и в этом направлении эволюционные деревья нам много интересного сообщают.

На сегодняшний день ситуация очень разная в разных местах. Ведь R — это не фундаментальная константа. R очень сильно зависит от того, что именно мы делаем. Поэтому я сейчас не берусь давать никаких рекомендаций властям.

Мы знаем, что этот вирус циркулирует глобально. И мы можем, глядя на него, разбираться, какие именно события вели к его локальному распространению в каждых конкретных областях. Здесь можно говорить об очень большой роли личности в истории. Зачастую мы знаем, какой именно завоз, какого именно человека, на каком самолете вызвал большую вспышку в стране с тысячами жертв. Имея эту информацию, мы гораздо больше узнаем о вирусе. Так стало известно, что первое распространение происходило асимптоматически или почти асимптоматически. Это был случай завоза этого вируса в Германию и США.

Проблема заключается в том, что на ранних стадиях поймать его не удалось. И сейчас мы по-прежнему находимся на стадии глобального роста числа случаев. И я даже думаю, на ранних стадиях этой эпидемии. Полагаю, в ближайшей перспективе ничего похожего не повторится.