David Montefiori, a Duke AIDS-kutatólaborjának igazgatója gyakorlatilag a kezdetektől nyomon követi a SARS-CoV-2 változásait. A virológus pályája javát annak vizsgálatával töltötte, hogyan képes a HIV véletlen mutációk révén újra és újra kijátszani az immunrendszert. Amikor a COVID-19 elkezdett terjedni a bolygón, úgy vélte, hogy könnyen lehet, az új vírussal is ez fog történni. A szakértő márciusban kezdett együttműködni Bette Korber komputációs biológussal, aki szintén elsősorban a HIV evolúcióját kutatja. A Los Alamos Nemzeti Laboratórium kutatója eddigre már több ezer koronavírus-genomot vizsgált meg, olyan mutációk után kutatva, amelyek megváltoztathatják a kórokozó járvány szempontjából fontos tulajdonságait.
A vizsgálatokból az derült ki, hogy a SARS-CoV-2 kifejezetten lassan változik, ahogy terjed. Egy konkrét mutáció azonban feltűnt Korbernek: ez a vírus sejtekbe jutását lehetővé tevő tüskeprotein génjét érintette, és újra és újra feltűnt a szakértő által tanulmányozott betegmintákban. A tüskeprotein 614. aminosavhelyén az aszparaginsav (rövidítése Asp vagy D) helyett rendszeresen glicin (G) tűnt fel. A változás egy másolási hiba eredménye, és egyetlen nukleotid módosulása okozza a vírus 29 903 nukleotidos genetikai kódjában. A mutációt D614G néven tartják nyilván a virológusok.
Korber, Montefiori és társaik áprilisban egy preprint tanulmányban figyelmeztettek arra, hogy a D614G-mutáció „riasztó mértékben” terjed. (A tanulmány lektorált változata júliusban a Cell oldalain jelent meg.) A génvariánst hordozó SARS-CoV-2-törzs hamarosan a dominánssá vált Európában, majd az Egyesült Államokban, Kanadában és Ausztráliában is gyors ütemben terjedni kezdett. A kérdéses tanulmány szerzői azt állították, hogy a D614G a SARS-CoV-2 egy korábbinál könnyebben fertőző változata, amely a természetes szelekció nyomán emelkedett ki a többi változat közül.
A D614G fokozott fertőzőképességére vonatkozó következtetést rögtön rengeteg kritika érte.
A meglátást nehezményezők szerint ugyanis a rendelkezésre álló adatok alapján semmi sem utalt arra, hogy a vírusváltozat gyorsabban terjed, vagy bármiben másként viselkedik, mint a korábban gyakori törzsek. A hírt azonban gyorsan felkapta a közvélemény, főleg hogy az eredményeket egyes sajtóorgánumok némileg elferdítve tálalták, azt állítva, hogy az új vírustörzs veszélyesebb az előzőknél – amit Montefiori és társai sosem mondtak. (Montefiori utólag úgy kommentálta a híreket, hogy hiba volt részükről „riasztónak” titulálni a terjedés ütemét, így ez a jelző ki is került a végleges változatból.)
A tanulmány egyúttal nagy mértékben megnövelte a szakmai érdeklődést is a D614G iránt. Azt a vírus tulajdonságainak megváltozásával kapcsolatban kétkedő szakértők érdekesnek találták, hogy mennyire gyorsan elterjedt az új verzió. Hónapokig szinte minden szekvenált betegmintából ez a vírustörzs került elő, vagyis gyakorlatilag ez lett a világjárvány fő okozója. Így a tulajdonságai is fontossá váltak.
Az időközben napvilágot látott kutatási eredmények ugyanakkor nem festenek annyira egyértelmű képet, mint Montefiori and Korber tanulmánya. Egyes kísérletek azt sugallják, hogy a vírustörzs valóban könnyebben fertőzi meg a sejteket, legalábbis a Petri-csészében. Más kutatók arra hívták a fel a figyelmet, hogy a D614G kialakuló „egyeduralma” jó hír, mivel az elterjedt mutáció könnyebb célpontot jelent a vakcinagyártóknak.
Összességében azonban arra továbbra sincs meggyőző bizonyíték, hogy a D614G szignifikánsan megváltoztatta volna a vírus emberek közti terjedésének ütemét, vagy hogy a természetes kiválasztódás a magyarázat elterjedtségére.
Egyúttal egyelőre olyan eredmény sincs, amely azt sugallná, hogy az új vírustörzs veszélyesebb a korábbiaknál. A mutációk részletes vizsgálata ugyanakkor fontos lehet a járvány jövője szempontjából, és talán annak megelőzésében is segíthet, hogy a veszélyesebb változatok elterjedjenek.
Stabil genomok
A szakértők a SARS-CoV-2 kínai megjelenése után gyakorlatilag azonnal elkezdték vizsgálni a vírusmintákat, online is közzétéve a szekvenál genetikai kódokat. Az ezekben felbukkanó mutációk, amelyek gyakran csak egyetlen nukleotidban tértek el egymástól, lehetővé tették a kórokozó terjedésének pontos feltérképezését egy-egy csoportban, és azt is, hogy körülbelüli képet kapjunk, mikor kezdett a SARS-CoV-2 embereket fertőzni.
Az RNS-vírusok, amilyen a SARS-CoV-2, a HIV és az influenza is, általában gyakran szednek össze mutációkat, miközben a gazdaszervezetben sokszorozódnak, mivel a másolást végző enzimek hajlamosak hibákat elkövetni. SARS nevű betegséget okozó SARS-CoV-1 esetében ez valószínűleg szerencsés hatással volt a járványra, mivel a vírus összeszedett egy mutációt (pontosabban egy deléciót, tehát törlődött a genom egy részlete), ami lelassította terjedését.
Utóbbi azért is érdekes, mert a szekvenálási adatok alapján a koronavírusok lassabban változnak más RNS-vírusoknál. Ennek oka valószínűleg az lehet, hogy van egy enzimjük, amely elég hatékonyan javítja a súlyosabb másolási hibákat. Egy tipikus SARS-CoV-2 egy vagy két pontmutációt (egyetlen nukleotid megváltozása) szed össze egy hónap alatt, miközben emberről emberre terjed és másolódik. Ez nagyjából a fele az influenza és negyed a HIV változékonyságának. A SARS-CoV-2 stabilitását rengeteg adat támasztja alá: eddig több mint 105 ezer betegmintából szekvenált genomot tettek közzé.
Ha a világ bármely két pontján vírusmintát gyűjt be az ember, és ezek genomját összeveti, átlagosan mindössze 10 nukleotid eltérést tapasztal a közel 30 ezer nukleotidos genomban
– mondja Lucy Van Dorp, a University College London komputációs genetikusa, aki a vírus változásainak nyomon követésével foglalkozik.
A lassú változás ellenére a szakértők mostanra már több mint 12 ezer mutációt azonosítottak a kórokozó genomjában. Ez azonban nem jelenti azt, hogy tudnánk, mit jelentenek a kérdéses változások. A legtöbbnek valószínűleg semmiféle hatása nem lesz a vírus viselkedésére, mivel ezek nem változtatják meg az annak működését lehetővé tevő fehérjék alakját. A fehérjék szerkezetét módosító mutációk pedig nagyobb eséllyel jelentenek problémát a vírusnak, mint nekünk, hiszen könnyen működésképtelenné tehetik a proteineket.
Számos kutató úgy véli, hogy ha egy mutáció hozzájárult a vírus gyorsabb terjedéséhez, az valószínűleg korábban történt, amikor a vírus átkerült az emberre, vagy amikor emberről emberre kezdett terjedni. Az elég valószínű, hogy jelenleg, amikor szinte mindenki fogékony a fertőzésre a világon, nem nehezedik különösebben nagy evolúciós nyomás a vírusra, hogy gyorsabban terjedjen, így a számára potenciálisan kedvező mutációk sem feltétlenül terjednek el.
„A vírus számára minden egyes ember, akit elér, friss húsnak számít. Egyszerűen nem érdeke, hogy szelektálódjon, és hatékonyabbá váljon”
– mondja William Hanage, a Harvard közegészségügyi karának járványkutatója.
Gyorsabb terjedés?
Amikor Korber és társai rájöttek, milyen gyorsan terjed a D614G, úgy gondolták, hogy a természetes szelekció egy ékes példáját látják. A mutáció ráadásul fontosnak tűnt, hiszen a tüskeproteint érinti, amely a semlegesítő antitestek egyik legfontosabb célpontja, hiszen ehhez kötődve megakadályozhatják a kórokozó sejtekbe jutását. A D614G-t először januárban azonosították, Kínában és Németországban gyűjtött mintákban. A legtöbb szakértő úgy véli, hogy még Kínában alakulhatott ki, és majdnem mindig három másik mutáció is kíséri a genom más részein, ami azt sugallja, hogy a legtöbb D614G-vírusok többsége egy közös őstől származik.
Korber a D614G gyors európai elterjedésére koncentrált vizsgálatai során. Március előtt, mielőtt a kontinens nagy része gyakorlatilag leállt volna, a mutációtól mentes D-vírusok és a mutációt hordozó G-vírusok is jelen voltak a betegekben, de Nyugat-Európában, ahol a legtöbb vonatkozó vizsgálatot végezték, a D-vírusok túlsúlya volt jellemző.
Március folyamán aztán a G-vírusok egyre gyakrabban fordultak elő az egész földrészen, és áprilisra dominánssá váltak.
A G-vírusok elterjedésére azonban nem a természetes szelekció az egyetlen és legvalószínűbb magyarázat. A mutáció európai dominanciája egyszerű véletlen is lehet, például annak az eredménye, hogy több G-vírust hurcoltak be Európába, mint D-vírust. Mivel azt már több vizsgálat igazolta, hogy a fertőzések javáért kis számú fertőzött felel (a szakértők szerint nagyjából az esetek 10 százaléka, az úgynevezett szuperterjesztők a felelősek a terjedés 80 százalékáért, míg a legtöbb fertőzött senki másnak nem adja tovább a vírust), a dominancia kialakulásához az is elég lehetett, hogy csak egy kicsit több G-vírus érkezett meg hozzánk, mint D-vírus. Ez a fajta „alapító-effektus” egyébként is megszokott az új vírusoknál.
Korber és társai úgy próbálták kizárni az alapító-effektus hatását, hogy áprilisi tanulmányukban megmutatták, mennyire gyorsan dominánssá vált a D614G Kanadában, Ausztráliában és az Egyesült Államok egyes részein is. (Az egyetlen kivételt Izland jelentette, ahol ugyan a járvány korai szakaszában szintén jelen voltak a G-vírusok is, de végül a D-vírusok terjedtek el a populációban.)
Az említett tanulmány brit kórházi adatokat is elemzett, és bár arra nem találtak bizonyítékot, hogy a mutációt hordozó vírusváltozat betegebbé tenné az embereket, viszont a G-vírusokkal fertőzöttekben enyhén magasabb vírusmennyiséget mutattak ki a felső légutakban, mint a D-vírusok esetében. Az eredményeket azonban a legtöbb kutató nem találta különösebben lényegesnek, és kifejezetten korainak vélték a szerzők által megfogalmazott következtetéseket.
Montefiori elmondása szerint az biztos, hogy saját munkájukat nagyban befolyásolta, hogy elsősorban HIV-kutatók, ahol a legkisebb változás is alapvető hatással lehet a vírus és az immunrendszer kapcsolatára. Így ahogy elmondta:
„Komolyan megijedtünk, és meg kellett vizsgálnunk, hogy ez milyen hatással lehet a vakcinafejlesztésre.”
Élet a Petri-csészében
Montefiori laborkörülmények között is vizsgálta a mutációt, hogy felmérje annak fertőzőképességét. Mivel biztonsági okok miatt a SARS-CoV-2 természetes változatával saját laborjában nem kísérletezhetett, egy génmódosított HIV-vírussal dolgozott, amely hordozta a SARS-CoV-2 fehérjetüskéjét, és ennek révén jutott be a sejtekbe. Ilyen pszeudovirionok használata nagyon elterjedt a virológiai laborokban, hiszen lehetővé teszik az olyan halálos patogének tanulmányozását, mint például az ebola vírusa.
Először júniusban tettek közzé eredményeket pszeudovírusos kísérleteiről a D614G kapcsán (a Scripps Kutatóintézetben szakértői), majd rövidesen több más csoport is megjelentette saját eredményeit. A különböző laborokban más pszeudorendszereket használtak, és különböző sejteken tesztelték ezeket, de a kísérletek mind egy irányba mutattak: azt sugallták, hogy a G-vírusok sokkal hatékonyabban, egyes esetekben akár tízszer hatékonyabban fertőzik meg a sejteket, mint a D-vírusok tették.
Mostanra tehát nagyjából egységes szakmai konszenzus alakult ki annak tekintetében, hogy a D614G-mutáció fertőzőbbé teszi a módosított vírusrészecskéket in vitro körülmények között.
Hogy ez mit jelent az emberek közötti terjedés szempontjából, az azonban továbbra sem világos. Ahogy Nathan Grubaugh, a Yale epidemiológusa mondja, ezek a kísérletek rendkívül kontrollált körülmények között zajlanak, így pusztán ezen eredmények alapján nem lehet következtetéseket levonni a járványra vonatkozóan. A pszeudovírusok ráadásul többnyire csak a tüskeproteint hordozzák a koronavírusból, így a kísérletek csak azt mérik, hogy a vírus mennyire képes bejutni a sejtbe, azt nem, hogy milyen hatással van a teljes SARS-CoV-2 odabent, illetve hogyan hat a szervezetre. És persze a pszeudorészecskék azt a másik három mutációt sem hordozzák, amely csaknem minden más G-vírus genomjában megtalálható.
Néhány laborban a D614G-mutáció hatásainak feltárása érdekében jelenleg már dolgoznak élő SARS-CoV-2-vírusokkal is. Ezeket eddig emberi tüdő- és felső légúti sejteken, illetve kisebb emlősökön tesztelték. Ezen kísérletek kapcsán az első eredmények szeptember elején láttak napvilágot. A Texasi Egyetem szakértői preprintben közzétett munkájukban arról számolnak be, hogy G-vírusok a Petri-csészében fertőzőbbnek bizonyultak az emberi sejtekre, mint a D-vírusok, illetve a G-vírusok nagyobb mennyiségben voltak jelen a fertőzött kísérleti hörcsögök felső légutaiban.
Ugyanakkor még ezek az eredményeket sem szabad egy az egyben rávetíteni az emberek közötti fertőzésekre. Egyes kutatások igazolták, hogy a szintén a koronavírusok közé tartozó MERS kórokozójának tüskeproteinjén bizonyos mutációk súlyosabb betegséghez vezetnek egerekben (más élőlényről nincs hasonló adat), más mutációk viszont gyakorlatilag semmilyen hatással nincsenek a betegség kimenetelére vagy terjedésére a tevék, illetve az emberek között.
Arra, hogy a D614G-mutáció befolyással van a vírus emberek közti terjedésére, az eddigi legegyértelműbb bizonyíték a COVID-19 Genomics UK Consortium nevű brit kezdeményezésből származik. Ennek keretében eddig 25 ezer vírusmintát analizáltak a kutatók, és ezek alapján több mint 1300 olyan beteget azonosítottak, akik külföldről hurcolták be a vírust, és aztán azt sikeresen terjesztették is az Egyesült Királyságban.
Andrew Rambaut, az Edinburgh-i Egyetem evolúcióbiológusa, Erik Volz, az Imperial College London epidemiológusa és Thomas Connor, a Cardiffi Egyetem biológusa ebből az adathalmazból 62 olyan klasztert vizsgált , amely D-vírusok behurcolása nyomán alakult ki, valamint 245 G-vírusok okozta klasztert is megnéztek. A szakértők nem találtak klinikai eltéréseket a két törzs által megfertőzött betegek között, ugyanakkor úgy tűnik, hogy a G-vírusok egy kicsit gyorsabban terjednek. A becslések szerint a transzmissziós ráta nagyjából 20 százalékkal magasabb, ha a vírus hordozza a G-mutációt, ami az epidemiológusok szerint összességében nem jelent nagy különbséget, ami a populációszintű hatást illeti.
Elképzelhető, hogy a D614G egy olyan adaptáció, amely segíti a vírus sejtekbe jutását vagy más vírusokkal való versengését, ez azonban nem sokat változtat azon, hogy hogyan terjed az emberek között
– mondja Rambaut. Grubaugh, aki szerint a D614G túl nagy figyelmet kapott a kutatóktól tényleges szerepéhez képest. Az elvégzett vonatkozó kutatások ugyanakkor olyan szempontból nagyon fontosak, hogy rávilágítanak a vírus stabilitására. És annak megértésében is segíthetnek, hogy pontosan hogyan jut be a kórokozó a sejtekbe.
Egy másfajta pszeudovírus-kísérletben Jeremy Luban, a Massachusettsi Egyetem virológusa krioelektron-mikroszkóppal vizsgálta, hogyan változik meg a tüskeprotein struktúrája a D614G-mutáció nyomán. A tüskeprotein három egyforma peptidet tartalmaz, amelyek nyitott vagy zárt állásban lehetnek: a korábbi kutatások azt sugallták, hogy legalább két peptidnek nyitva kell lennie ahhoz, hogy a vírusrészecske sikeresen fuzionáljon a sejtmembránnal. Luban és kollégái úgy találták, hogy a G-vírusok esetében sokkal gyakoribb ez a felállás, és ezt Montefiori és Korber számítógépes modellezései is megerősítették.
Az immunrendszer talpon van – még
A legtöbb rendelkezésre álló bizonyíték arra mutat, hogy a D614G-mutáció nem akadályozza az immunrendszert abban, hogy semlegesítő antitestjeivel felismerje, és leszerelje a SARS-CoV-2-t. Ennek oka az lehet, hogy a mutáció nem érinti a fehérje receptormegkötő részét, amely a sejtek ACE2-fehérjéjéhez kötődik (vagy az antitestekhez).
Arra is utalnak ugyanakkor bizonyítékok, hogy más mutációk segíthetnek a vírusnak elkerülni az immunrendszert. Theodora Hatziioannou és Paul Bieniasz, a Rockefeller Egyetem virológusai genetikailag módosított vezikuláris sztomatitisz-vírusokat (egy állati patogént) szereltek fel a tüskeproteinnel, majd vírusokat semlegesítő antitestek jelenlétében hagyták gyarapodni. A kísérlet több olyan mutációt is eredményezett, amelyek ellenállónak bizonyultak a COVID-19-betegekből származó antitestekkel szemben.
A kérdéses mutációk mindegyikét azonosították már emberi betegekben is, bár ezek egyelőre szerencsére nagyon alacsony gyakorisággal fordulnak elő, mondják a kutatók.
Más szakértők a vírus evolúciójának következő lépéseit próbálják előre jelezni. Jesse Bloom, a Fred Hutchinson Rákkutatóközpont evolúciós virológusa például csapatával eddig közel 4000 mutálódott változatát állította elő a tüskeproteinnek receptorkötő doménjének, majd minden esetben megvizsgálták, hogy a változás hogyan befolyásolja az ACE2-receptorhoz kötődést. A legtöbb mutáció nem hozott változást, vagy rontotta a tüskeprotein kötődési képességét, de egy maroknyi javította a kötődést. Ezek némelyikét pedig már emberi betegekben is azonosították, bár ismét csak nagyon alacsony gyakorisággal.
„Valószínűleg az a helyzet, hogy a vírus jelenleg pontosan olyan jól kötődik az ACE2-höz, amennyire erre szüksége van”
– mondja Bloom.
A kutatók azt nem vizsgálták, hogy a mutációk hogyan befolyásolják az antitestek semlegesítő hatását, de az eredmények azt sugallják, hogy ebben is lehetnek változások, vagyis a vírus elvileg szert tehet olyan mutációkra, amelyek ellenállóvá teszik az immunrendszerrel vagy annak egyes elemeivel szemben. A más koronavírusokkal kapcsolatos kutatások alapján azonban ez vélhetően éveket vehet igénybe.
Amíg a világ nagy része nagyjából egységesen ki van téve a SARS-CoV-2-nek, addig az immunitás kérdése valószínűleg nem lesz elsődleges a vírus evolúciójában.
Ahogy azonban egyre többen tesznek szert immunitásra a betegségen való átesés vagy a majdani vakcináció révén, az immunrendszerrel sikeresen harcoló vírusvariánsok lassan előtérbe kerülhetnek, biztosítva a kórokozó állandósult előfordulását az emberek körében.
Ezek valószínűleg már csak enyhébb tüneteket okoznak majd, és az immunitásra szert tettek között terjednek, mondja Timothy Sheahan, az Észak-Karolinai Egyetem koronavírus-szakértője. De az is lehet, hogy a szerzett immunitás nem lesz elég hosszúéletű ahhoz, hogy kellő szelekciós nyomást gyakoroljon ezen vírustörzsek elterjedéséhez.
Problémás mutációk akkor is kialakulhatnak, ha nem alkalmazzák elég okosan az antitestes terápiákat, ha ugyanis a COVID-19-beteg egyfajta antitestet kap, az ellen egyetlen virális mutáció is elég lehet. Többfajta antitestből álló keverékek és a vakcinák esetén erre sokkal kisebb az esély, mivel mindkét esetben sokfajta antitest célozza meg a vírus különböző részeit.
Az is lehetséges, hogy a D614G-mutáció végső soron megkönnyíti a vakcinafejlesztők dolgát. Egereken, majmokon és embereken végzett vizsgálatok ugyanis egyaránt alátámasztják, hogy
több kísérleti RNS-vakcina is olyan antitestek termelődését váltja ki, amelyek hatásosabbak a G-vírusok ellen, mint a D-vírusokkal szemben.
Utóbbi kétségkívül remek hír, ugyanakkor a HIV-kutatóknak abban kétségkívül igazuk van, hogy a SARS-CoV-2-ben megvan a potenciál az immunrendszer kicselezéséhez. Így továbbra is szemmel kell tartani a genomban bekövetkező változásokat, és az új variánsok terjedését.
