Прогнозирование эволюционной изменчивости вируса гриппа А
- Авторы: Тимофеева T.A.1, Асатрян M.Н.1, Альтштейн A.Д.1, Народицкий Б.С.1, Гинцбург A.Л.1, Каверин Н.В.1
-
Учреждения:
- «ФНИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи» Минздрава России
- Выпуск: Том 9, № 3 (2017)
- Страницы: 48-54
- Раздел: Обзоры
- Дата подачи: 17.01.2020
- Дата публикации: 15.09.2017
- URL: https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10374
- DOI: https://doi.org/10.32607/20758251-2017-9-3-48-54
- ID: 10374
Цитировать
Аннотация
Из-за своей быстрой эволюционной изменчивости вирус гриппа А остается одним из наиболее распространенных и опасных возбудителей инфекционных заболеваний человека. Изучение эволюции вирусов гриппа А, которую можно наблюдать буквально в реальном времени, за последние годы испытало подъем благодаря накоплению экспериментальных данных (селекция эскейп-мутантов с последующим изучением их фенотипических характеристик, конструирование вирусов c заданными мутациями при помощи методов обратной генетики), появлению новых теоретических подходов, в основе которых лежит построение и анализ филогенетических деревьев штаммов вирусов гриппа, а также системному сочетанию известных математических методов (системы интегро-дифференциальных уравнений, статистические методы, методы теории вероятности) и имитационного моделирования. Длительная циркуляция высокопатогенных вирусов гриппа А вызывает серьезные опасения в отношении появления пандемически опасных вариантов, поэтому возникает необходимость в применении теоретических и экспериментальных методов для прогнозирования эволюционной изменчивости и вирусов подтипа Н5.
Полный текст
ДОЛГАЯ ПРОБЛЕМА С КОРОТКИМ НАЗВАНИЕМ «ГРИПП» Первый вирус гриппа человека был выделен В. Смитом, К. Эндрюсом и П. Лэйдлоу (W. Smith, C.H. Andrewes, P.P. Laidlaw) в Англии в 1933 году в Национальном институте медицинских исследова ний [1, 2]. За два года до этого, в 1931 году, Р. Шоуп (R.E. Shope) в США выделил вирус гриппа свиней [3, 4]. За прошедшие 85 лет накоплена обширная ин формация о структурно-функциональных свойствах вирусов гриппа, патогенезе гриппозной инфекции, реакциях адаптивного и естественного иммуните та. Вирус гриппа до сих пор остается одним из наи более распространенных и опасных возбудителей инфекционных заболеваний человека. Он способен вызывать эпидемии и пандемии, сопровождающи еся высокой смертностью населения и огромными экономическими потерями. Причиной этого является быстрая эволюция вируса гриппа А, его приспосо бляемость к человеческой популяции с меняющимся состоянием ее специфического иммунитета и неиз менными механизмами естественного иммунитета. Особое значение во взаимоотношении вируса с попу ляцией человека имеют его фенотипические харак теристики: 1) способность заражать клетки верхних дыхательных путей (рецепторсвязывающая актив ность); 2) способность «ускользать» от специфиче ских иммунных реакций организма; 3) способность образовывать инфекционное потомство. Первая и вторая характеристики зависят преимущественно от поверхностных белков вириона, вклад в третью могут вносить все вирусные белки. В основе измене ния этих характеристик лежат разные механизмы изменчивости вирусного генома. На вирус гриппа, попавший в организм, воздей ствуют две формы иммунного ответа. Гуморальному иммунному ответу, представленному, в основном, нейтрализующими антителами к поверхностным белкам - гемагглютинину (НА) и нейраминидазе (NA), принадлежит ведущая роль в защите от ин фекции. Антитела против гемагглютинина наиболее важны для нейтрализации вируса и предотвращения заболевания [5]. Антитела против нейрамини дазы менее эффективно предотвращают инфекцию, но сдерживают ее развитие, препятствуя высвобож дению вируса из зараженных клеток [6]. Основную роль в защите от инфекции играют антитела к по верхностным гликопротеинам, однако антитела об разуются и к консервативным внутренним антигенам M и NP, но они не являются вируснейтрализующи ми антителами [7]. Клеточный иммунный ответ дей ствует на этапе уничтожения зараженных вирусом клеток, он представлен вирусспецифическими цито токсическими Т-лимфоцитами, которые распознают иммунодоминантные сайты внутренних белков ви руса гриппа (матриксного белка М1 и нуклеопроте ина NP), представленные через молекулы главного комплекса гистосовместимости (МНС) [8]. От гуморального иммунного ответа организма ви рус благополучно «уходит» при помощи механиз ма антигенного дрейфа [9] - накопления точечных мутаций, приводящих к изменению структуры по верхностных гликопротеинов вириона, вследствие чего специфические антитела перестают узнавать вирус. От клеточного иммунного ответа вирус также «защищается» путем антигенного дрейфа, суть ко торого состоит в накоплении точечных мутаций уже в иммунодоминантных сайтах внутренних белков [8]. Еще один из основных механизмов изменчивости вируса гриппа - это антигенный сдвиг - механизм реассортации фрагментов генома, который приводит к появлению новых пандемических вариантов [10]. Генетический материал вируса гриппа сегментиро ван - представлен отдельными блоками нуклеиновой кислоты, которые реплицируются в клетке незави симо один от другого. Это позволяет разным виру сам гриппа А легко скрещиваться, образуя гибри ды, которые называются реассортантами. Если два вируса гриппа А (птичий и человеческий) заразят одну и ту же клетку, то в вирусном потомстве многие вирусные частицы окажутся гибридными, получив шими некоторые гены от птичьего вируса-родителя, а некоторые от человеческого. Менее ясна роль других механизмов, обеспечива ющих изменчивость вируса гриппа, таких, как об разование дефектных частиц [11] и межмолекуляр ная рекомбинация. Хотя у вирусов с негативным РНК-геномом, к которым относится вирус гриппа, рекомбинация происходит достаточно редко, пока зано включение в ген НА клеточной мРНК. Это при дает вирусу способность к многоцикловой инфек ции в клеточной культуре без трипсина, что обычно коррелирует с высокой вирулентностью [12]. Не ис ключено, что подобные события могут быть фак тором быстрых эволюционных изменений вируса гриппа А. МНОГООБРАЗИЕ ВИРУСОВ ГРИППА А В ПРИРОДЕ И ИХ ЭВОЛЮЦИЯ Вирусы гриппа А, циркулирующие в природе и вы деленные от человека, а также от разных видов мле копитающих и птиц, характеризуются значительным структурным разнообразием гликопротеинов оболоч ки - гемагглютинина и нейраминидазы. В настоящее время у вирусов гриппа А описано 18 (Н1-Н18) под типов гемагглютинина и 11 (N1-N11) подтипов ней раминидазы [13]. Потенциальными возбудителями будущих пандемий могут стать вирусы с гемагглю тининами подтипов Н1, Н2, Н3, Н5, Н6, Н7, Н9 и Н10 и нейраминидазами подтипов N1, N2, N3 и N8, ко торые вызывают заболевания у людей, в том числе спорадические. Из известных нам пандемий гриппа самой страшной была знаменитая «испанка» 1918 года, унесшая по разным оценкам от 50 до 100 мил лионов жизней, поэтому хотелось бы иметь способы предсказания таких событий заранее. Сезонным же эпидемиям гриппа достаточно эф фективно противостоят вакцины, рекомендованные ВОЗ. Однако в результате быстрой эволюции виру са состав таких вакцин приходится обновлять прак тически каждый год. Изучение эволюции вирусов гриппа необходимо для того, чтобы научиться пред сказывать, какой именно вариант вызовет эпидемию (или, возможно, пандемию) и своевременно создавать эффективные средства защиты. Поскольку эволюцию вируса гриппа можно на блюдать буквально в реальном времени, в последние годы изучение эволюции вирусов гриппа А испытало подъем благодаря как накоплению эксперименталь ных данных, так и появлению новых теоретических подходов. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ПРОГНОЗИРОВАНИЮ ЭВОЛЮЦИОННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ВИРУСОВ ГРИППА А Мы остановимся на теоретических подходах, кото рые, на наш взгляд, наиболее перспективны для про гнозирования эволюционной изменчивости вирусов гриппа А. В основе этих подходов лежит построение и анализ филогенетических деревьев штаммов ви русов гриппа, а также специальный математический аппарат (системы интегро-дифференциальных урав нений, статистические методы, методы теории веро ятности, имитационное моделирование) [14, 15]. Филогенетические деревья отражают эволю ционные взаимосвязи между различными видами или другими биологическими сущностями, имеющи ми общего предка. Такие деревья строятся в несколь ко этапов: 1) сначала составляется выборка нуклео тидных и аминокислотных последовательностей; 2) затем производится множественное выравнивание; 3) далее осуществляется непосредственно постро ение дерева с использованием различных матема тических методов (например, метода максимального правдоподобия, метода ближайших соседей, матрич ных методов, метода максимальной бережливости); 4) и, наконец, производится визуализация и редакти рование дерева. В настоящее время широко исполь зуется обширное программное обеспечение и интер нет-ресурсы, предназначенные для визуализации филогенетических деревьев вируса гриппа А [16]. В одном из рассматриваемых подходов анализиру ют влияние положительного эпистаза на эволюцию вируса гриппа [17, 18]. К эпистатическим мутациям относятся парные мутации, появление одной из кото рых влияет на появление другой. При использовании филогенетических деревьев белков NА и HA (подти пов H3N2 и H1N1) на основе данных NCBI’s Influenza Virus Resource [19] разработан статистический ме тод, позволяющий своевременно выявить признаки будущих эпистатических (парных) мутаций. Для по строения филогенетических деревьев в этом подходе используется метод ближайших соседей. Суть ме тода заключается в обнаружении пар частей белка, интервалы на филогенетическом дереве между по следовательными мутациями которых значительно ниже средних показателей, т.е. за основу взято пред положение, что мутация в одной части белка ускоря ет появление мутации в другой. Эти взгляды практи чески не учитываются при прогнозировании состава вакцин, но, тем не менее, могут быть очень важными. Другой подход к прогнозированию предлагает способ определения клад (единицы популяции, бо лее крупные, чем штамм) филогенетического де рева, которые будут «развиваться» (увеличивать свою частотность) в следующем сезоне или, наобо рот, «затухать». Для этого разрабатывается «мо дель приспособляемости» [20] гемагглютинина ви руса гриппа А подтипа H3, которая предсказывает эволюцию популяции вируса от года к году и пред лагает принципиальный способ выбора вакцины. Частотностью (концентрацией) штамма называется доля популяции носителей вируса, инфицирован ных данным штаммом. Частотностью клады в не котором сезоне считается сумма всех частотностей штаммов этого сезона, находящихся в данной кладе. Приспособляемостью (скоростью развития) штам ма называется параметр, влияющий на увеличение или уменьшение частотности его дочерних штаммов в следующем сезоне [14]. При построении филогене тических деревьев в этом подходе используют метод максимального правдоподобия. Для прогнозирования эволюционной изменчивости вирусов гриппа А с использованием этих подходов необходима максимально полная база данных нукле отидных последовательностей генов вируса гриппа, определенных к настоящему времени. Чтобы построенные филогенетические деревья можно было считать максимально приближенными к реальности, исходные данные должны пройти тща тельный отбор по критериям (наличие полноразмер ных нуклеотидных последовательностей штаммов вируса гриппа А, их территориальное распределение и т.д.), которые могут улучшить их положение с точ ки зрения репрезентативности. Хороший способ проверки построенного дерева и, как следствие, правильности критериев отбора за ключается в сравнении эскейп-мутантов (от англ. escape - убегающий, ускользающий), полученных от некоторого штамма вируса, и ветвей филогене тического дерева, где «родительским» узлом явля ется вышеназванный штамм. Эскейп-мутанты - это варианты вируса, устойчивые к нейтрализующему действию того или иного моноклонального антитела. Если последовательности эскейп-мутантов нашли свое отражение на филогенетическом дереве, то они должны находиться в ветвях, происходящих от ис ходного вируса. Если картина иная, то возможны различные объяснения, но наиболее вероятны либо ошибка при отборе данных для дерева, либо ошибка в его построении. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОГНОЗИРОВАНИЮ ЭВОЛЮЦИОННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ВИРУСОВ ГРИППА А Как и в случае теоретических подходов, для реали зации экспериментальных подходов к прогнозиро ванию эволюционной изменчивости вирусов гриппа А необходим анализ нуклеотидных последователь ностей циркулирующих штаммов с использованием базы данных. При этом в результате эксперимен тальной работы база данных пополняется новыми штаммами - нуклеотидными последовательностями эскейп-мутантов. Классическая методика получения эскейп-мутантов по гемагглютинину в лабораторных условиях описана еще в 1980 году [21]. После селек ции эскейп-мутантов дальнейшее использование трехмерной структуры молекулы в сочетании с тех никой секвенирования вирусных генов позволяет ло кализовать сайты (или отдельные аминокислотные остатки), распознаваемые нейтрализующими анти телами. В трехмерной структуре молекулы эскейп мутантов эти сайты (выступы, петли, «карманы») распределяются неслучайным образом. Впервые сайты связывания с антителами были выявлены в трехмерной структуре молекулы гемаг глютинина Н3, поскольку в течение 20 лет (с 1981 по 2001 год) это был единственный подтип, трехмер ная структура которого была определена с помощью рентгеноструктурного анализа [22, 23]. В настоящее время хорошо изучены сайты взаимодействия с ан тителами эскейп-мутантов потенциально панде мических подтипов НА, таких, как Н1 [24-26], Н2 [26, 27], Н3 [26, 28], Н5 [26, 29-31] и Н9 [26, 32], очень слабо - Н7 [33], для подтипов Н6 и Н10 данные от сутствуют. Из-за быстрой изменчивости вирусов гриппа А об ласть сайтов взаимодействия гемагглютинина с анти телами у эскейп-мутантов изменяется и постоянно расширяется. Поэтому возникает необходимость не только в изучении гемагглютининов тех подтипов, которые мало изучены или не изучены ранее (Н6, Н7 и Н10), но также в выявлении сайтов взаимодействия с антителами гемагглютинина новых вариантов ви руса, появляющихся в ходе эволюции уже изучен ных подтипов (Н1, Н2, Н3, Н5, Н9). Такая задача ста новится особенно актуальной, если появляется новый вариант вируса гриппа человека, вызывающий мощ ную эпидемическую вспышку. Для прогнозирования эволюционной изменчивости вируса гриппа А важно учитывать вариации не толь ко гемагглютинина, но и другого поверхностного бел ка - нейраминидазы, поскольку именно в результа те слаженного функционирования генов этих белков возможно появление новых эволюционно наиболее успешных вариантов вируса. Поэтому изучение в ла бораторных условиях эскейп-мутантов нейрамини дазы и гемагглютинина началось практически одно временно. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПОДХОДЫ, СПОСОБСТВУЮЩИЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЮ ЭВОЛЮЦИОННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ВИРУСА ГРИППА Для предсказания распространения того или иного варианта вируса в природных условиях недостаточ но просто определить сайты поверхностных белков (как гемагглютинина, так и нейраминидазы), отвеча ющие за взаимодействие с антителами. Необходимо проводить скрининг природных изо лятов вируса гриппа А, циркулировавших в пред шествующие годы, с целью обнаружения вариан тов вируса, полученных в лаборатории. Оказалось, что не все мутации, зарегистрированные у лабора торных эскейп-мутантов, встречаются в природных изолятах вируса гриппа А. Причинами такого несоот ветствия могут быть дополнительные фенотипиче ские эффекты, вызванные мутациями. Поэтому очень важно изучение фенотипических свойств эскейп-му тантов, в первую очередь, вирулентности и сродства к аналогам клеточных рецепторов («птичьего» и «че ловеческого» типов), уровня репликации и репро дуктивной активности при различных температурах и, наконец, устойчивости по отношению к факторам окружающей среды (температуре, рН). Например, при изучении влияния аминокислот ных замен в молекуле гемагглютинина вирусов грип па на фенотипические свойства таких потенциально пандемических подтипов, как Н5 и Н9, было замече но, что эскейп-мутанты подтипа Н9 [34] более кон сервативны в фенотипических вариациях, в то время как у эскейп-мутантов подтипа Н5 [35, 36] все фено типические характеристики изменялись в зависи мости от аминокислотных замен в молекуле гемаг глютинина. Геном вирусов гриппа подтипа Н9 более стабилен и не обнаруживает такой вариабельности при циркуляции в природных условиях, как геном вирусов Н5. Этот факт хорошо согласуется с экспе риментальными результатами [34]. Таким образом, изучение влияния аминокислот ных замен на фенотипические свойства эскейп-му тантов позволяет ограничить множество отобранных в лаборатории предполагаемых эволюционно удач ных вариантов вируса и попытаться прогнозировать активность таких вариантов при циркуляции в при роде. Но вариации фенотипических свойств виру сов гриппа могут быть обусловлены мутациями не только в поверхностных, но и в других белках. Следовательно, для строгого доказательства зави симости фенотипических свойств вируса от мутаций в той или иной позиции молекулы гемагглютинина (или другого вирусного белка) необходимо с помощью методов обратной генетики сконструировать вирусы с точно заданными мутациями и изучить их феноти пические свойства, тем самым подтвердить и ограни чить множество прогнозируемых штаммов. При прогнозировании эволюционной изменчиво сти вирусов подтипа Н5 в направлении пандемически опасных вариантов необходимо обращать внимание на важные регионы молекулы НА, мутации в кото рых могут приводить к усилению патогенных свойств вируса гриппа А. Такими участками могут быть: •рецепторсвязывающий сайт, отвечающий за взаи модействие с клеточными рецепторами; •сайты, отвечающие за связывание с антителами (антигенные сайты); •сайт гликозилирования, играющий важную роль в созревании молекулы НА; •сайт нарезания, имеющий большое значение для инфекционности вируса. В связи с этим возникает необходимость в приме нении теоретических и экспериментальных методов для прогнозирования эволюционной изменчивости вирусов и подтипа Н5. Внимание к вирусам гриппа А подтипа Н5 не ос лабевает с 1997 года, когда впервые у людей зарегистрировали респираторную инфекцию, вы званную этими вирусами [37]. В настоящее время смертность от заболевания, вызванного подтипом Н5, составляет около 53%, что почти в 5 раз выше, чем при знаменитой «испанке». На данный момент вирус не способен передаваться от человека к чело веку, в частности, из-за специфичности связывания с рецепторами «птичьего», а не «человеческого» типа [38], но при приобретении такой способности послед ствия могут оказаться катастрофическими для всего человечества. В случае вирусов подтипа Н5 постройку филоге нетических деревьев особенно затрудняет неполная представленность данных в базе нуклеотидных по следовательностей. Расширить базу данных мы мо жем путем ее пополнения нуклеотидными последо вательностями эскейп-мутантов подтипа Н5, отдавая при этом себе отчет, что такие данные, полученные в экспериментальных условиях, могут быть исполь зованы как промежуточные узлы к реально зареги стрированным (природным) штаммам. ЧТО ОТДЕЛЯЕТ НАС ОТ ПАНДЕМИИ, ВЫЗВАННОЙ «ПТИЧЬИМ» ГРИППОМ? Для того чтобы вирус гриппа птиц подтипа Н5 при обрел не только способность к распространению в че ловеческой популяции, но и эволюционно удачные фенотипические характеристики, необходимы из менения, на которые может потребоваться не очень много времени. В лабораторных условиях показано [39, 40], что всего нескольких мутаций в молекуле НА цирку лирующего штамма H5N1 достаточно, чтобы вирус приобрел способность к передаче воздушно-капель ным путем и стал пандемически опасным. Эти мута ции (рис. 1) располагаются в районе рецепторсвязы вающего сайта (N224K, Q226L - обозначены красным цветом), в стержневом регионе (T318I - зеленый) и зоне поверхностного контакта тримеров (H107Y - синий), а также в области сайта гликозилирования (N158D, T160A - показаны желтым). На основе фи логенетического анализа гена HA были предсказа ны позиции аминокислотных остатков, отвечающих за распространение вируса H5N1 среди млекопитаю щих [41]. Это позиции 186, 226 и 228, расположенные в рецепторсвязывающем сайте, и 160 в сайте глико зилирования. Локализация двух теоретически пред сказанных и экспериментально выявленных позиций полностью совпадает. Следует отметить, что пред сказанные позиции располагаются в важных реги онах молекулы НА - рецепторсвязывающем сайте и сайте гликозилирования. При этом, что важно, в их число входит и позиция 186, которая встречается у экспериментально отобранных эскейп-мутантов [36]. В настоящее время в молекуле НА выявлены до полнительные новые стабилизирующие (эволюци онно-удачные) мутации, сопряженные с мутациями, изменяющими рецепторную специфичность высоко патогенных вирусов H5N1 в сторону «человеческого» типа [42]. Таким образом, детальный структурно-функцио нальный анализ рецепторсвязывающего сайта, анти генных сайтов, сайта нарезания, сайта гликозилиро вания гемагглютининов различных подтипов вируса гриппа А создает основу для анализа эволюционных изменений этих подтипов и открывает новые воз можности для прогнозирования появления в приро де вариантов, которые отбираются в лабораторных условиях. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ФАКТОРЫ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭВОЛЮЦИОННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ «ПТИЧЬЕГО» ГРИППА Способность высокопатогенных вирусов H5N1 пере даваться среди млекопитающих связана с мутаци ями не только в гемагглютинине, но и в белке по лимеразного комплекса РВ2 - кеп-распознающей эндонуклеазе, вовлеченной в инициацию транскрип ции вирусной мРНК и играющей важную роль в про цессе репликации вируса [43]. В генах полимеразно го комплекса, который отвечает за передачу вируса среди млекопитающих, недавно был выявлен целый набор мутаций - это, помимо известной мутации E627К в белке РВ2, аминокислотные замены E192K, E627V, D701V, K702R в РВ2 (рис. 2) и N105S в бел ке РВ1 [44]. Теоретическое предсказание аминокис лотных остатков, отвечающих за передачу вируса подтипа H5N1 среди млекопитающих, основанное на филогенетическом анализе гена РВ2 [45], вклю чает позиции 590, 627 и 701. В двух случаях теорети чески предсказанные позиции полностью совпадают с определенными экспериментально - 627 и 701 [41]. До недавнего времени считалось, что эскейп-му тации сосредоточены только в высоковариабельных поверхностных белках вируса гриппа. В последние годы появились работы, доказывающие существо вание таких мутаций в сайтах внутренних - консер вативных - белков, в частности, в белке нуклеопро теина (NP). Исходно белок NP был охарактеризован как высококонсервативный. Но дальнейшие серо логические исследования с помощью поликлональ ных или моноклональных антител показали, что бе лок NP подвержен изменчивости. Однако селекция эскейп-мутантов не применима к сайтам белка NP вируса гриппа А, отвечающим за взаимодействие с антителами, поскольку анти-NP-антитела не обла дают нейтрализующей активностью. Поэтому в этом случае можно использовать сайт-специфический мутагенез с последующим тестированием полученного в прокариотической системе белка в иммуно ферментном анализе. Все обнаруженные антигенно значимые аминокислотные остатки являются ва риабельными, и в 3D-структуре они «разбросаны» по поверхности молекулы белка NP [45]. Определено также расположение и структура компактного ан тигенного сайта в домене тела молекулы NP вируса гриппа А [46]. Для прогнозирования эволюционной изменчиво сти вирусов гриппа А необходимо учитывать так же влияние мутаций не только в поверхностных, но и во внутренних белках. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, вирус гриппа остается одним из наи более распространенных и опасных возбудителей инфекционных заболеваний человека. Он способен вызывать эпидемии и пандемии, сопровождающи еся высокой смертностью среди населения и огром ными экономическими потерями. Причина этого за ключается в быстрой эволюции и приспособляемости вируса гриппа А к человеческой популяции с ее ме няющимся состоянием специфического иммунитета и неизменными механизмами естественного имму нитета. Поскольку эволюцию вируса гриппа можно наблю дать буквально в реальном времени, то в последние годы изучение эволюции вирусов гриппа А испыта ло подъем благодаря как накоплению значительного количества экспериментальных данных (селекция эскейп-мутантов с последующим изучением их фе нотипических характеристик, конструирование ви русов со строго заданными мутациями при помощи методов обратной генетики), так и появлению новых подходов, в основе которых лежит построение и ана лиз филогенетических деревьев штаммов вирусов гриппа, а также системное сочетание математиче ских методов (системы интегро-дифференциальных уравнений, статистические методы, методы теории вероятности) и имитационного моделирования. Чтобы построенные филогенетические деревья можно было считать максимально приближенны ми к реальности, исходные данные должны пройти тщательный отбор по критериям (наличие полных нуклеотидных последовательностей штаммов вируса гриппа А, их территориальное распределение и т.д.), которые могут улучшить положение с точки зрения их репрезентативности. Хороший способ проверки построенного дерева и, как следствие, правильности критериев отбора заключается в сравнении эскейп мутантов, полученных от некоторого штамма вируса, и ветвей филогенетического дерева, где «родитель ским» узлом является вышеназванный штамм. В результате изучения влияния аминокислотных замен на фенотипические свойства эскейп-мутан тов можно ограничить множество отобранных в ла боратории предполагаемых эволюционно удачных вариантов вируса и пытаться прогнозировать их ак тивность при циркуляции в природе. Однако вариа ции фенотипических свойств вирусов гриппа могут быть обусловлены мутациями не только в гене HA, но и в других генах. Следовательно, для строгого до казательства зависимости фенотипических свойств вируса от мутаций в той или иной позиции молекулы гемагглютинина (или другого белка) необходимо с по мощью методов обратной генетики сконструировать вирусы с заданными мутациями путем использова ния и выявления фенотипических свойств таких ви русов. Постройка филогенетических деревьев вирусов подтипа Н5 затрудняется неполной представленно стью данных в базе нуклеотидных последователь ностей. Расширить базу данных можно путем ее по полнения нуклеотидными последовательностями эскейп-мутантов Н5, учитывая при этом, что полу ченные в экспериментальных условиях данные, мо гут использоваться как промежуточные узлы к ре ально зарегистрированным (природным) штаммам. Для прогнозирования эволюционной изменчиво сти вирусов гриппа А необходимо учитывать влия ние мутаций не только в поверхностных (HA и NA), но и во внутренних белках (NP, M1, M2, P). Используя системное сочетание современных под ходов и накопленный экспериментальный опыт, мож но проводить исследования с целью прогнозирования эволюционной изменчивости вирусов гриппа А.
Об авторах
T. A. Тимофеева
«ФНИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи» Минздрава России
Автор, ответственный за переписку.
Email: timofeeva.tatyana@inbox.ru
Россия
M. Н. Асатрян
«ФНИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи» Минздрава России
Email: timofeeva.tatyana@inbox.ru
Россия
A. Д. Альтштейн
«ФНИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи» Минздрава России
Email: timofeeva.tatyana@inbox.ru
Россия
Б. С. Народицкий
«ФНИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи» Минздрава России
Email: timofeeva.tatyana@inbox.ru
Россия
A. Л. Гинцбург
«ФНИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи» Минздрава России
Email: timofeeva.tatyana@inbox.ru
Россия
Н. В. Каверин
«ФНИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи» Минздрава России
Email: timofeeva.tatyana@inbox.ru
Россия
Список литературы
- Smith W., Andrewes C.H., Laidlaw P.P. // Lancet. 1933, P.66-68
- Smith W., Andrewes C.H., Laidlaw P.P. // Br. J. Exp. Pathol. 1935, V.16, P.291-302
- Shope R.E. // J. Exp. Med. 1931, V.54, P.373-385
- Shope R.E. // J. Exp. Med. 1934, V.62, P.49-61
- Donina S.A., Naydikhin A.N., Rudenko L.G. // Allergology and Immunology. 2000, №1, P.114
- Cox R.J., Brokstad K.A., Ogra P. // Scand. J. Immunol. 2004, V.59, №1, P.1-15
- Askonas B.A., McMichael A.J., Webster R.G. // Basic and Applied Influenza Research. / Ed. Beare A.S. Boca Raton, FL: CRC Press, 1982, P.159-188
- Naydikhin A.N., Losev I.V. // Problems of Virology. 2015, V.60, P.11-16
- Both G.W., Sleigh M.J., Cox N.J., Kendal A.P. // Virology Journal 1978, V.75, P.4886-4890
- Lamb R.A., Krug R.M. // Orthomyxoviridae. Fields virology. Section 2, Specific Virus Families / Eds B.N. Fields and D.M. Knipe. Lippincott, Williams, Wilkins, 2001, P.1091-1137
- Steinhauser D.A., Holland J.J. // Annu. Rev. Microbiol. 1987, V.41, P.409-433
- Khatchikian D., Orlich M., Rott R. // Virology 1982, V.122, P.38-47
- Webster R.G., Govorkova E.A. // Ann. N.Y. Acad. Sci. 2014, V.1323, P.115-139
- Strelkowa N., Lassig M. // Genetics. 2012, V.192, P.671-682
- Shih A.C.C., Hsiao T.C., Ho M.S., Li W.H. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2007, V.104, P.6283-6288
- Neher R.A., Bedford T. // Bioinformatics. 2015. V. 31(21). 2015, V.31(21), P.3546-3548
- Kryazhimskiy S., Dushoff J., Bazykin G.A., Plotkin J.B. // Plos Genet. 2011, V.7, e101301
- Neverov A.D., Kryazhimskiy S., Plotkin J.B., Bazykin G.A. // Plos Genet. 2015, V.11(8), e1005404
- // url www.ncbi.nim.nih.gov/genome/FLU
- Luksza M., Lassig M. // Nature 2014, V.507, P.57-74
- Webster R.G., Laver W.G. // Virology 1981, V.104, P.139-148
- Wilson I.A., Skehel J.J., Wiley D.C. // Nature 1981, V.289, P.366-373
- Skehel J.J., Stevens D.J., Daniels R.S., Douglas A.R., Knossow M., Wilson I.A., Wiley C.D. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1984, V.81, P.1779-1783
- Caton A.J., Browlee G.G., Yewdell J.W., Gerhard W. // Cell. 1982, V.31, P.417-427
- Rudneva I., Ignatieva A., Timofeeva T., Shilov A., Kushch A., Masalova O., Klimova R., Bovin N., Mochalova L., Kaverin N. // Virus Res. 2012, V.166, P.61-67
- Kaverin N.V., Rudneva I.A., Timofeeva T.A., Ignatieva A.V. // Problems of Virology 2012, PtApp. 1, P.148-158
- Tsuchiya E., Sugawara K., Hongo S., Matsuzaki Y., Muraki Y., Li Z.N., Nakamura K. // J. Gen. Virol. 2001, V.82, P.2475-2484
- Wiley D.C., Wilson I.A., Skehel J.J. // Nature 1981, V.289, P.373-378
- Kaverin N.V., Rudneva I.A., Ilyushina N.A., Varich N.L., Lipatov A.S., Smirnov Y.A., Govorkova E.A., Gitelman A.K., Lvov D.K., Webster R.G. // J. Gen. Virol. 2002, V.83, P.2497-2505
- Kaverin N.V., Rudneva I.A., Govorkova E.A., Timofeeva T.A., Shilov A.A., Kochergin-Nikitsky K.S., Krylov P.S., Webster R.G. // Virology Journal 2007, V.81, P.12911-12917
- Rudneva I.A., Kushch A.A., Masalova O.V., Timofeeva T.A., Klimova R.R., Shilov A.A., Ignatieva A.V., Krylov P.S., Kaverin N.V. // Viral Immunol. 2010, V.23, №2, P.181-187
- Kaverin N.V., Rudneva I.A., Ilyushina N.A., Lipatov A.S., Krauss S., Webster R.G. // Virology Journal 2004, V.78, №1, P.240-249
- Schmeiser F., Vasudevan A., Verma S., Wang W., Alvarado E., Weiss C., Autokorale V., Maseda G., Weir J.P. // PloS One. 2015, V.10(1), e0117108
- Rudneva I.A., Timofeeva T.A., Ignatieva A.V., Shilov A.A., Ilyushina N.A. // Arch. Virol. 2016, V.161, P.3515-3520
- Rudneva I.A., Timofeeva T.A., Ignatieva A.V., Shilov A.A., Krylov P.S., Ilyushina N.A., Kaverin N.V. // Virology 2013, V.447, P.233-239
- Kaverin N.V., Rudneva I.A., Timofeeva T.A., Ignatieva A.V., Shilov A.A., Bovin N.V., Ilyushina N.A. // Virus Res. 2015, V.210, P.81-89
- // Centers for Disease Control and Prevention (CDC) MMWR Morb. Mortal Wkly Rep. 1997. 1997, V.46(50), P.1204-1207
- Matrosovich M., Zhou N., Kawaoka Y., Webster R. // Virology Journal 1999, V.73, P.1146-1155
- Imai M., Watanabe T., Hatta M., Das S.C., Ozawa M., Shinya K., Zhong G., Hanson A., Katsura H., Watanabe S. // Nature 2012, V.486, №7403, P.420-428
- Russell C.A., Fonville J.M., Brown A.E., Burke D.E., Smith D.L., James S.L., Herfst S., van Boheemen S., Linster M., Schrauwen E.J. // Science. 2012, V.336, P.1541-1547
- Zhang Z.W., Liu T., Zeng J., Chen Y.E., Yuan M., Zhang D.W., Zhu F., Yuan S. // Infectious of Poverty. 2015, V.4, №50, P.2-9
- Hanson A., Imai M., Hatta M., McBride R., Imai H., Taft A., Zhong G., Watanabe T., Suzuki Y., Neumann G. // Virology Journal 2016, V.90, №6, P.2981-2992
- Plotch S.J., Bouloy M., Krug R.M. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1979, V.76, P.1618-1622
- Taft A.S., Ozawa M., Fitch A., Depasse J.V., Halfmann P.J., Hill-Batorski L., Hatta M., Fridrich T.C., Lopes T.J.S., Maher E.A. // Nat. Commun. 2015, V.6, №7491, P.1-12
- Varich N.L., Sadykova G.K., Prilipov A.G., Kochergin-Nikitsky K.S., Kushch A.A., Masalova O.V., Klimova R.R., Gitelman A.K., Kaverin N.V. // Viral Immunol. 2011, V.24, №2, P.1-7
- Varich N.L., Sadykova G.K., Prilipov A.G., Kochergin-Nikitsky K.S., Webster R.G., Kaverin N.V. // Arch. Virology. 2014, V.159, P.1493-1497