Закрепился в генах. Ученые обнаружили влияние коронавируса на ДНК человека
Это одно из последствий древней пандемии, значительно более мощной, чем сейчас. С тех пор у жителей Китая, Японии, Монголии, Кореи и Вьетнама сохранилась адаптация к этому патогену.
Свидетельства генетической памяти
За последние двадцать лет мир пережил три коронавирусных эпидемии — SARS, MERS и COVID-19. Еще четыре патогена этой категории, вызывающие легкую простуду, присутствовали в человеческой популяции до этого. Самый молодой из них — HCoV-HKU1 — преодолел видовой барьер, перейдя от животных к человеку, в 1950-х, самому старому — HCoV-NL63 — по оценкам ученых, около 820 лет.
Более древних не выявляли, и складывалось впечатление, что человеческие коронавирусы появились относительно недавно. Так было до тех пор, пока австралийские биологи из Квинслендского технологического университета и Университета Аделаиды под руководством профессора Кирилла Александрова вместе с американскими коллегами из Аризонского университета и Калифорнийского университета в Сан-Франциско не придумали новый метод. Вместо того чтобы искать гены самих коронавирусов, они решили изучить следы их воздействия на геном человека.
Исследователи воспользовались данными проекта 1000 Genomes, крупнейшего общедоступного каталога ДНК человека. Сосредоточили внимание на изменениях в генах, которые отвечают за экспрессию белков, взаимодействующих с коронавирусом. Всего проанализировали геномы более 25 тысяч человек из 26 популяций по всему миру. В пяти популяциях Восточной Азии обнаружили признаки адаптации в 42 генах, кодирующих те белки, что взаимодействуют с вирусом SARS-CoV-2.
Эти белки выбрали в качестве генетических маркеров. В основном они экспрессируются в тканях легких, наиболее уязвимых при коронавирусной инфекции. Некоторые рассматривают в качестве мишеней для препаратов от COVID-19. Из этого ученые делают вывод: древний коронавирус проникал в клетки человека по тем же механизмам, что и SARS-CoV-2.
Гонка вооружений с вирусом
Чтобы вызвать изменения в геноме человека, вирус, по оценкам специалистов, должен присутствовать в популяции не одно столетие. За это время происходит отбор благоприятных вариантов генов, обеспечивающих более легкое течение заболевания. Это своего рода оружие, которое организм создает против патогенов.
Любой новый вирус по мере возникновения иммунитета к нему начинает мутировать, стараясь преодолеть защиту. Его белки меняют форму. Это подталкивает гены человека к ответным действиям — адаптационным мутациям. Они закрепляются в геноме только через несколько десятков поколений.
Подсчитали, что примерно 4500 белков (это около 20 процентов всего протеома человека) физически участвуют во взаимодействиях с проникающими в организм вирусами, и с этим связаны около 30 процентов генетических адаптаций. Большинство направлены на то, чтобы включать определенные внутренние функции, останавливающие репликацию вируса и предотвращающие развитие болезни.
Генетическая адаптация к коронавирусу у жителей Восточной Азии свидетельствует о том, что древняя пандемия продолжалась значительно дольше, чем нынешняя вспышка COVID-19.
Ковид времен палеолита
Чтобы выяснить, когда именно это случилось, исследователи применили новейшие компьютерные методы анализа эволюционных изменений в геноме. По мере передачи из поколения в поколение адаптированная версия гена приобретает незначительные случайные мутации. Чем больше мутаций, тем больше прошло времени.
В эволюционной истории исследуемых популяций выявили несколько пиков накопления генов, кодирующих белки, взаимодействующие с коронавирусом. Самый сильный был 20-25 тысяч лет назад. Четкие признаки генетической адаптации зафиксировали во всех 42 маркерных генах.
Это говорит о том, что предки современных обитателей Восточной Азии пережили тогда мощную эпидемию коронавируса и в нескольких поколениях формировались физиологические и иммунологические изменения, повышавшие устойчивость к инфекции и ослаблявшие ее воздействие на здоровье. Возможно, предполагают авторы работы, это объясняет, почему азиаты легче переносят пандемию COVID-19.
Эпидемия, предположительно вызванная коронавирусом, бушевала в Восточной Азии 970-770 поколений, или 20-25 тысяч лет назад. Об этом свидетельствует набор специфических мутаций 42 генов, которые кодируют белки, взаимодействующие с коронавирусами
CC BY 4.0 / Yassine Souilmi et al./Current Biology, 2021 /
"Аллель риска"
Генетические исследования позволяют установить не только варианты генов, защищающие от коронавируса, но и те, с которыми, наоборот, связан риск тяжелой формы COVID-19.
Биологи Института эволюционной антропологии Макса Планка в Германии и Каролинского института в Швеции, также воспользовавшиеся данными проекта 1000 Genomes, выявили в человеческом геноме участок — фрагмент третьей хромосомы длиной около 50 тысяч пар оснований, нуклеотидные вариации в котором значимо повышают шансы на серьезные осложнения при инфицировании. Его назвали "аллель риска".
Ученые утверждают, что этот участок, составляющий 0,002 процента генома, достался современным людям от неандертальцев. За исключением африканцев, у которых нет неандертальской ДНК, "аллель риска" встречается у восьми процентов европейцев и у трети жителей Южной Азии. Больше всего — в Бангладеш, до 63 процентов. Кстати, в Восточной Азии неандертальского фрагмента почти нет.
В конце концов человек как биологический вид всегда оказывается сильнее вируса, но эта "генетическая гонка вооружений" по сравнению с продолжительностью человеческой жизни занимает слишком много времени. Например, маркерным генам из первого исследования для противовирусных мутаций понадобилось несколько столетий. Формирование коллективного иммунитета к вирусу естественным образом — путь чрезвычайно долгий. Есть только одна альтернатива — вакцинация.
Распространенность неандертальского генетического варианта, повышающего риск тяжелой формы COVID-19
Zeberg, H. et al./Nature (2020)