Страннее и страшнее. Можно ли распознать опасный вариант коронавируса до того, как он захватит мир

В греческом алфавите 24 буквы. На названия для вариантов коронавируса израсходовано чуть меньше половины, но уже ясно, что это не предел. Остановить эволюцию SARS-CoV-2 едва ли удастся, и, вероятно, однажды в ход пойдут и другие алфавиты. Нам остается приспосабливаться к этому — и учиться предсказывать, насколько опасным окажется тот или иной новичок. Рассказываем, как может строиться такой прогноз и на что стоит обращать внимание, чтобы вовремя принять меры — или, наоборот, лишний раз не паниковать, услышав о появлении на горизонте очередной фиты или сигмы.

Дельта-вариант коронавируса получил статус «варианта, вызывающего озабоченность» (variant of concern) 10 мая 2021 года. Тогда его еще не звали «дельтой», а эксперты ВОЗ спорили о том, правда ли он заразнее своих предшественников. Но третья волна пандемии — которую, как мы сейчас понимаем, в существенной степени вызвала именно дельта — к тому моменту шла уже почти три месяца.

Хронология дельты

• 11 ноября 2020 — в базе GISAID впервые появляется геном нового варианта
• 5 февраля 2021 — эпидемиологи второй раз замечают тот же вариант
• 10 марта 2021 — в Индии начинается вспышка ковида
• 24 марта 2021 — правительство Индии сообщает о том, что в стране обнаружен новый вариант коронавируса
• 30 марта 2021 года — на github появляется сиквенс нового варианта. Сообщается, что он распространяется кластерами и дошел уже до Европы, США, Австралии и Канады, а в Индии ответственен примерно за 20 процентов случаев ковида
• апрель 2021 года — в базе российского консорциума Corgi впервые появляется «дельта»
• 10 мая 2021 года — ВОЗ признает «дельту» вариантом, вызывающим озабоченность
• 20 мая 2021 года — глава Роспотребнадзора сообщает о появлении варианта «дельта» в России

Рассуждать о том, можно ли было избежать новой волны пандемии — в мире или хотя бы в отдельно взятой Индии или России — сейчас уже бессмысленно. Но хорошо бы подумать о том, как подготовиться к пришествию следующего варианта, чтобы поймать его еще на подходе и по возможности избежать жертв.

Коронавирусный алфавит на август 2021 года

Варианты, вызывающие озабоченность (variants of concern):
ɑ (B.1.1.7) — обнаружен в Великобритании в сентябре 2020 года
β (B.1.351) — обнаружен в ЮАР в сентябре 2020 года
ɣ (P.1)— обнаружен в Бразилии в декабре 2020 года
Δ (B.1.617.2)— обнаружен в Индии в декабре 2020 года

Варианты, вызывающие интерес (variants of interest):
η (B.1.525) — обнаружен в Нигерии в декабре 2020 года
κ (B.1.617.1) — обнаружен в Индии в декабре 2020 года
ƛ (C.37) — обнаружен в Перу в декабре 2020 года
ι (B.1.526) — обнаружен в США в декабре 2020 года

Варианты, остающиеся под наблюдением (for further monitoring):
ε (B.1.427/B.1.429) — обнаружен в США в сентябре 2020 года
ζ (P.2) — обнаружен в Бразилии в январе 2021 года
θ (P.3)— обнаружен на Филиппинах в январе 2021 года

Эволюционный биолог из Австрийского института науки и технологий Федор Кондрашов считает, что здесь могло бы помочь секвенирование.

«Чтобы понимать, какой вариант опасный, а какой не опасный, — советует он, — очень полезно получать как можно больше данных. Сейчас мы говорим: как плохо — какой-то вариант был у 10 процентов популяции, а стал у 50 процентов. А представьте себе, что мы видели бы, что какой-то вариант появляется у 0,01 процента зараженных, а теперь у 0,1 процента. Это совсем другая ситуация».

Это означает, что в каждом регионе каждой страны нужно оборудовать генетическую лабораторию — поставить мальчика с секвенатором, чтобы тот следил за всеми разновидностями коронавируса, которыми болеет население. И кричал «волки!», если заметит подозрительное шевеление в кустах — до того, как звери начнут бросаться на людей.

Этот план, впрочем, не кажется реалистичным даже самому его автору. Кондрашов признает, что подобная система потребует таких денежных вложений, которые едва ли когда-то окупятся. Но давайте представим себе, что это все-таки произошло — хотя бы в отдельно взятой стране. В каждом ее городе власти установили по секвенатору, который читает вирусные геномы без перерыва на обед и сон. Осталось только понять: какое шевеление считать подозрительным? На какие свойства нового варианта нам стоит смотреть, чтобы забеспокоиться до того, как начнется вспышка?

Где мутация?

В геноме SARS-CoV-2 почти 30 тысяч нуклеотидов. Но большинство мутаций, что сегодня на слуху, толпятся на участке в пару сотен нуклеотидов — это RBD (рецептор-связывающий домен) S-белка: то место, которым вирус приклеивается к молекуле ACE2 на поверхности клетки.

Геном коронавируса SARS-CoV-2   

Это не означает, конечно, что остальными частями своего генома коронавирус не мутирует. Каждый новый вариант несет в себе десятки изменений, причем большинство из них затрагивают другие области S-белка или вообще другие гены. И какие-то из этих изменений могут всерьез повлиять на биологию вируса. Так, у варианта альфа (мы рассказывали о нем в тексте «У нас новенький») нашлась мутация, которая увеличивает производство вирусного белка orf9. Он отвечает за подавление иммунитета хозяина — а значит, такая мутация может позволить вирусу дольше выживать в организме.

Тем временем в других разновидностях коронавируса генетики заметили мутацию в гене orf1ab, которая, наоборот, тормозила размножение вируса. Она мешала работать белку Nsp1, который запрещает клетке хозяина производить какие-либо белки, кроме вирусных.

И все же в первую очередь вирусологов интересует спайк-белок. «Просто он в большой степени определяет свойства вируса с точки зрения внешнего наблюдателя, — объясняет Георгий Базыкин, эволюционный биолог из Сколтеха, — то есть иммунной системы и тех клеток, в которые он пытается проникнуть. Это и первая линия нападения вируса, и первая линия обороны».

Именно на спайк «смотрит» иммунная система, когда подбирает к нему антитела. Туда же, судя по всему «смотрит» естественный отбор: по крайней мере, мутации в нем чаще прочих совпадают у разных вариантов вируса. Поэтому на спайк придется смотреть и нам — чтобы понять, не потеряют ли «старые» антитела своей эффективности против нового варианта.

В этом, однако, нет ничего удивительного. Точно то же самое происходит и с другими вирусами — будь то ВИЧ или грипп — вирусологов в первую очередь интересуют поверхностные белки. И это упрощает нам задачу: несмотря на то, что секвенаторы обычно читают вирусный геном целиком, мы знаем заранее, откуда ждать беды.

Она настоящая?

Мальчики, которые кричат «волки!», как известно, часто ошибаются. Ошибаются и секвенаторы. «В геноме коронавируса есть некоторые места, — объясняет Базыкин, — где некоторые технологии секвенирования спотыкаются. Вам кажется, что там цитозин, хотя на самом деле там сидит урацил».

Это означает, что мутация, которую «увидел» секвенатор, может не существовать на самом деле. Но если такого рода ошибку относительно легко распознать и поправить, то гораздо сложнее отделить собственную мутацию нового варианта от множества мелких изменений, которые вирус накопил за время жизни внутри хозяина.

Человеческие клетки защищаются от вирусов с помощью белков семейства APOBEC. Они редактируют вирусную РНК, случайным образом превращая цитозины в урацилы — в расчете на то, что тем самым сломают какой-нибудь ген. И поскольку каждый образец коронавируса, который мы кладем в секвенатор, взят у какого-то конкретного пациента, мы никогда не знаем наверняка, как интерпретировать обнаруженные мутации. Это может быть важное свойство нового варианта, единое для всех его копий, а может быть результат работы APOBEC. Но поскольку эти белки у всех людей одинаковы, они будут неизменно вносить похожие правки. «Функциональный параллелизм от параллелизма, связанного с редактированием, отличить очень сложно, — сетует Базыкин, — и если вы видите, что какая-то мутация случилась на вашем эволюционном дереве коронавируса тысячу раз независимо, это, к сожалению, не обязательно значит, что эта мутация для вируса полезная».

Поэтому одного лишь мальчика с секвенатором недостаточно, чтобы составить мутационный портрет нового варианта. Если мы хотим быть уверены в том, что изменения в его генах действительно важны и поддерживаются отбором, нам придется доказывать это in vitro: собирать мутантный спайк-белок и проверять, правда ли он лучше связывается со своей мишенью или хуже — с антителами.

Так, предположительно, выглядят спайк-белки у разных вариантов коронавируса

Можно было бы, наверно, доверить эту задачу компьютеру — и ограничиться моделью измененного белка. Но оба собеседника N + 1 сходятся на том, что пока мы умеем это делать довольно плохо. Мальчику с компьютерной моделью веры пока нет, так что без мальчика с пробиркой нам не обойтись.

Мы с ней знакомы?

Некоторые мутации в моделировании не нуждаются — те, что вошли в состав прежних вариантов коронавируса и поэтому уже изучены вдоль и поперек. Часть из них генетики обсуждали так усердно, что даже дали им человеческие имена — чтобы проще было выговаривать. Так замена D614G (здесь D и G — кодовые обозначения исходной и конечной аминокислот, а 614 — их позиция в белке), которая придает спайк-белку липкость по отношению к рецептору ACE2, получила имя «Даг» (Doug). А E484K, которая делает вирус менее заметным для антител, стала «Эриком» (Erik).

Вместе с именем мутации получают известность в научном сообществе, а заодно и статус потенциально опасных. Именно поэтому, например, большие опасения вызвал вариант «дельта плюс» (AY.1), который впервые заметили в Индии в конце апреля — он даже заставил, например, Великобританию ограничить авиасообщение с Португалией. Кроме замен, характерных для обычной дельты, вариант AY.1 обзавелся мутацией «Карен» (Karen, K417N). Ее мы уже встречали в геноме южноафриканского варианта бета и знаем, что эта встреча ничего хорошего не сулит: считается, что именно «Карен» позволяет бете уходить от связывания с антителами.

Мутации, заслужившие себе имя

Даг (Doug, D614G): Есть во всех существующих вариантах. Увеличивает связывание с ACE2.
Эрик (Eric, E484K): Есть в вариантах бета, гамма, эта, тета, йота и зета. Ускользает от антител.
Карен (Karen, K417N): Есть в бета-варианте коронавируса. Уменьшает связывание с ACE2. Ускользает от антител.
Кент (Kent, K417T): Есть в варианте гамма. Уменьшает связывание с ACE2. Ускользает от антител.
Лейф (Leif, L18F): Есть в некоторых разновидностях бета-варианта. Ускользает от антител.
Нелли (Nelly, N501Y): Есть у альфы, беты, гаммы, теты. Увеличивает связывание с ACE2.
Пух (Pooh, P681H): Варианты альфа и тета. Увеличивает заразность (помогает проникать в клетку в обход ACE2).
Шон (Sean, S477N): Встречается в некоторых вариантах из Австралии и Нью-Йорка. Ускользает от антител.

Было бы полезно, конечно, уметь предсказывать свойства мутаций еще до того, как они попадут в секвенатор и получат имена. В этом направлении мы постепенно двигаемся благодаря группе Джесси Блума (Jesse Bloom) в Сиэтле. Вместе со своими коллегами Блум исследует спектр возможностей коронавируса с помощью насыщающего мутагенеза: ученые вносят все возможные варианты замен в каждую из аминокислот S-белка и заставляют клетки дрожжей производить эти мутантные белки. Получается библиотека дрожжевых культур, каждая из которых выставляет на поверхность клеток свой вариант S-белка, отличный от оригинального на одну аминокислоту. Затем в каждую культуру добавляют светящийся рецептор ACE2— и подсчитывают, насколько часто он оседает на клетках дрожжей. По итогам эксперимента Блум строит красно-синие таблицы, в которых чем краснее ячейка, тем сильнее связывание — и тем потенциально опаснее мутация. «Если кому охота предсказывать эволюцию ковида, — говорит Базыкин, — то вот самые лучшие данные, на которых это можно сделать».

Таблицы связывания мутантных спайк-белков с ACE2. По горизонтали — позиция в белке, по вертикали — вариант аминокислотной замены   

В других работах Блум и коллеги сталкивают свои модифицированные белки с антителами — и делают выводы о том, какие замены потенциально более «скользкие». Из его работ, например, следует, что «Карен» (K417N) — одна из самых неприятных замен в позиции 417, хуже может быть только гипотетическая «Кати» (K417I), а «Эрик» (E484K) не так страшен, как его возможный брат «Эмиль» (E484L), которого мы еще ни разу не встретили.

Так разные аминокислотные замены помогают спайк-белку ускользать от антител. Чем крупнее буква, тем сильнее ускользание. Цветом обозначена сила связывания мутантного белка с ACE2   

Что еще есть в геноме?

Проблема в том, что большинство этих мутаций уже далеко не новы. За то время, что коронавирус ходит по миру, он столько раз размножился в клетках, что каждая замена должна была с неизбежностью возникнуть. Но почему среди множества мутаций закрепились только некоторые, до сих пор непонятно. Возможно, дело в том, что каждая из замен не особенно опасна поодиночке — а «выстреливают» они только вместе, когда собираются в новый вариант.

Например, в спайк-белке дельты изменились сразу две аминокислоты.

1. Мутация E484Q подозрительно напоминала «Эрика» (E484K) — про которую уже было известно, что та лучше связывается с рецептором ACE2 и хуже — с антителами.
2. Мутация P681R была очень похожа на «Пуха» (P681H), а та отвечает за заразность вируса. Изменения в 681-й аминокислоте делают участок S-белка более липким для человеческого фермента фурина. Вирус встречается с фурином внутри клеток, перед выходом наружу. Фурин надрезает S-белок (это происходит внутри клеток) и делает его более липким для еще одного фермента — TMPRSS2. Когда вирус готовится заразить следующую клетку, он может встретить на ее поверхности TMPRSS2, тот еще раз разрезает S-белок — и после этого белок может приклеиться к мембране новой клетки напрямую, без участия ACE2.

Союз двух мутаций оказался взаимовыгодным: первая помогла второй выстоять под натиском антител, а вторая позволила первой шире распространиться в популяции. Правда, неясно, почему им потребовалось так много времени, чтобы осесть в одном геноме. Может быть, дело в том, что коронавирусные геномы не очень интенсивно рекомбинируют между собой и не обмениваются участками — а значит, вирусу приходится полагаться на случай. У других коронавирусов, правда, рекомбинация описана. Но у SARS-CoV-2, по словам Базыкина, обнаружить ее непросто — геномы разных вариантов довольно сильно похожи друг на друга, и отличить рекомбинацию от точечной замены удается не всегда.

Очевидно, что со временем число замен в коронавирусных вариантах будет только расти. В 2020 году мутация «Даг» (D614G) распространилась настолько успешно, что сейчас ее даже не указывают в списках особенностей того или иного варианта — она встречается у каждого из них. То же самое может произойти и с дельтой: ее мутации могут стать новой нормой, если она прочно закрепится в популяции и сама станет почвой для дальнейшей эволюции (что уже понемногу происходит, как видно на примере варианта «дельта плюс»).

Расположение разных мутаций в спайк-белке бета-варианта

Поэтому на смену таблицам Джесси Блума должны прийти многомерные матрицы — попытки просчитать заранее, как будут взаимодействовать сразу несколько аминокислотных замен внутри одного белка. Здесь надежды на компьютерное моделирование нет и подавно. Да и для насыщающего мутагенеза эта задача не из легких. «Есть пара десятков позиций в белке, про которые известно, что они важны, — прикидывает Базыкин, — и в каждой из них может быть 20 разных аминокислот. Чтобы проверить попарно все сочетания мутаций, вам придется сделать 19x19x190 новых вариантов генотипа – то есть порядка 70 тысяч. Это пока еще слишком дорого». Если сократить список до пяти позиций, понадобится всего лишь 3610 измерений – что, по мнению ученого, звучит реалистичнее. «Это было бы очень хорошей задачей, — соглашается он, — если у кого есть деньги и возможности. И я думаю, что это будет сделано».

Кто вокруг?

И вот, допустим, мы рассмотрели во всех подробностях геном очередного варианта и изучили, какие риски несет каждая из его мутаций. Даже если мы понимаем, какие хитрости запасены у него в рукаве, этого недостаточно, чтобы предсказать, как он поведет себя в человеческом обществе.

Поскольку эта пандемия с нами уже давно, ни один вариант не приходит на пустое место — он сразу вступает в конкуренцию с теми, кто уже «кормится» в этой популяции. И они начинают, по выражению Базыкина, «толкаться боками». «Возникает вариант, — говорит он, — очень хороший с точки зрения вируса, но ему не дает распространиться другой вариант, который, может быть, не такой хороший, но циркулирует с ним одновременно».

Кроме того, предыдущие варианты, которые «паслись» на тех же людях, уже оставили после себя наследство — в виде приобретенного иммунитета. А к переболевшим или вакцинированным вирусу нужен совсем другой подход. Если в наивной популяции достаточно просто быстро распространяться, то в иммунизированной фору могут получить те, кто незаметен для антител — это позволяет заражать людей повторно. Поэтому может оказаться, что одна и та же мутация не во всех ситуациях приносит выигрыш. Например, если она уменьшает связывание с ACE2 и одновременно хуже «видна» антителам (как, видимо, действует «Карен»), то в наивной популяции можно ожидать, что она проиграет, а в иммунизированной — выиграет.

В результате судьба даже самых опасных вариантов коронавируса может сложиться неожиданным образом. Дельту, например, впервые заметили еще в ноябре 2020 года, а общий предок всех дельт, судя по всему, появился на месяц раньше. Однако еще почти полгода этому варианту не удавалось вырваться вперед.

Бета лучше большинства остальных ускользает от вакцинного иммунитета и распространился почти по всему миру. Но все это не помогло ему обогнать своих соперников. Не озаботившись заблаговременно повышением заразности, бета почти во всех странах теперь уступает дельте. И даже в Москве, где его доля неожиданно выросла в апреле, бету теперь почти не заметно.

Та же судьба постигла и «московский» вариант B.1.1.523 (ему греческой буквы не досталось, поскольку ВОЗ не сочла его в достаточной степени подозрительным, чтобы причислять к списку «вызыващих озабоченность»). Еще в апреле он заражал больше людей, чем альфа и бета, вместе взятые — но тоже сдался под напором дельты.

Доля разных вариантов коронавируса среди московских образцов

На каждый вариант давят с нескольких сторон — и соседи-коронавирусы, и иммунные системы людей. Вектор адаптации к этому давлению в разных популяциях, следовательно, будет отличаться. Поэтому предсказать, какие мутации отбор поддержит, а какие отбросит, и не передумает ли через какое-то время, никто пока не берется.

Куда дальше?

И тем не менее, кое-что о будущем человека и его коронавируса мы уже сказать можем. У нас есть опыт предыдущих пандемий.

«Я не думаю, что за такой короткий срок эволюция достигла максимума того, что этот вирус может», — говорит Федор Кондрашов. Базыкин с ним согласен: «по определению естественного отбора, — напоминает он, — отбираются варианты, которые передаются сильнее всего». Поэтому можно ожидать, что следующие подозрительные варианты окажутся заразнее дельты.

Это, впрочем, не означает, что изменится сам характер болезни. «Вирусу, — объясняет Базыкин, — все равно, насколько тяжелые симптомы он вызывает. Ему важно, насколько легко он передается от одного человека к другому, а что с этим человеком произойдет, его не волнует». Поэтому едва ли естественный отбор будет специально поддерживать мутации, которые делают вирус более смертельным. Другое дело, что чем заразнее вирус, тем больше людей им болеют одновременно — и тем выше нагрузка на систему здравоохранения. А значит, в популяции может вырасти и риск умереть — причем не только от ковида.

Но и человечество не стоит на месте. За то время, что вирус накопил пару десятков аминокислотных замен, мы создали несколько десятков коронавирусных вакцин. Чтобы уйти от их действия, вирусу пришлось обзавестись новыми мутациями — но кампания по вакцинации снижает число размножающихся вирусов в популяции, и эволюционировать становится сложнее.

«Эффективное репродуктивное число, — замечает Базыкин, — в странах, которые частично иммунизированы и где сейчас распространяется дельта — примерно такое же, какое было в начале 2020 года, когда и вирус был молодой и неопытный, и мы были молодыми и неопытными». За полтора года он научился лучше от нас ускользать, а мы научились лучше его ловить. И бежали вслед за ним достаточно быстро, чтобы оба остались на том же самом месте. Но чтобы куда-то из этого места попасть, бежать придется в несколько раз быстрее — то есть снабжать людей иммунитетом быстрее, чем вирус увеличивает свою заразность.

И здесь есть подвох. Чем сильнее мы давим на вирус, тем сильнее у него стимул эволюционировать. Как недавно подсчитал Федор Кондрашов со своими коллегами, вероятность возникновения новых вариантов коронавируса, которые уходят от действия вакцин, тем выше, чем меньше в популяции осталось неиммунизированных людей. И своего пика эта вероятность достигает примерно в тот момент, когда популяция приближается к коллективному иммунитету. И если для исходного, уханьского варианта этот порог был в районе 60 процентов вакцинированного населения, то для дельты, по мнению ученого, он может быть выше — около 80-85 процентов.

«Это единственный момент, когда эпидемиологические и эволюционные соображения расходятся, — говорит Кондрашов. — С эпидемиологической точки зрения, когда мы всех потихоньку вакцинируем, становится лучше, лучше и лучше. С эволюционной точки зрения, когда мы всех потихоньку вакцинируем, то это уже опасно».

И если мы хотим остановить пандемию, считает ученый, мы должны подумать о ней в эволюционном контексте — и попробовать предотвратить эволюцию вируса в целом. Сделать это можно, только притормозив его распространение — а значит, понадобятся не только вакцины, но еще маски, проверки на границах и карантины. И тогда, быть может, уже и не понадобится гадать о судьбе нового варианта по рисунку нуклеотидов в его геноме.