 |
  |
|||
 |
 |
|||
|---|---|---|---|---|
|
Геномика и эволюция вирусных патогенов, вызывающих наиболее распространенные респираторные заболеванияУДК 578.53 Охлопкова О. В. Федеральное бюджетное учреждение науки «Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии Респираторные заболевания, вызываемые целым рядом вирусных патогенов, представляют собой значительное бремя для здоровья населения во всем мире. Грипп, респираторно-синцитиальный вирус (далее, РСВ), риновирусы, а в последнее время и коронавирусы подчеркивают серьезные медицинские и социально-экономические последствия таких инфекций [10]. Последние достижения в области геномики не только расширили наши представления о вирусных патогенах, но и позволили получить важнейшие сведения об их эволюции, что помогает в диагностике, профилактике и мерах борьбы. Респираторные заболевания поражают в первую очередь дыхательные пути, включающие нос, горло и легкие. Эти заболевания, от легкой простуды до тяжелой пневмонии, вызываются различными патогенами. Если бактерии, грибки и другие микроорганизмы могут приводить к достаточно управляемым респираторным заболеваниям, то вирусные патогены, в силу своей быстрой мутации и способности к адаптации, представляют собой уникальную проблему. Значение респираторных вирусных патогенов. Вирусные инфекции, такие как грипп, РСВ, риновирусы и коронавирусы, оказывают глобальное воздействие. Например, ежегодные вспышки гриппа приводят к значительной заболеваемости и смертности, вызывая до 650 тыс. смертей во всем мире [14]. Аналогичным образом, такие заболевания, как пандемия COVID-19, вызванная новым коронавирусом SARS-CoV-2, парализовали земной шар, что еще раз подчеркивает непредсказуемость и потенциальную разрушительность респираторных вирусных патогенов [2]. Респираторные вирусные инфекции также являются значительной проблемой ветеринарной медицины, так как они могут затрагивать животных, в том числе домашних и сельскохозяйственных видов, и оказывать серьезное воздействие на животноводство и в целом на агропромышленный комплекс стран и мира. Роль геномики в понимании эволюции вирусов. Геномика, то есть изучение всего генетического строения организма, стала революционным явлением в вирусологии. Изучение генома вирусов позволяет исследователям получить представление об их происхождении, эволюционных закономерностях и потенциальной уязвимости населения [5]. Огромный объем геномных данных, доступных сегодня, позволяет понять генетическое разнообразие вирусных популяций, проследить пути передачи и предсказать будущие эволюционные траектории. Например, отслеживание эволюции вируса гриппа в режиме реального времени позволило получить ценные сведения о том, как вирус адаптируется и изменяется с течением времени [8]. Цель данного обзора - обобщить современные геномные знания об основных вирусных патогенах, вызывающих респираторные заболевания, углубиться в их эволюционные траектории и последствия. Мы оценим геномное разнообразие этих патогенов, выясним взаимодействие хозяина и вируса, изучим динамику передачи инфекции и покажем, как геномные находки определяют стратегии профилактики и лечения. Результаты исследований и их обсуждение. Нами рассмотрено геномное разнообразие возбудителей респираторных вирусных инфекций. Вирусы гриппа, относящиеся к семейству Orthomyxoviridae, представляют собой сегментированные РНК-вирусы. Сегментиро-ванность их генома способствует генетической реассортации, что приводит к появлению новых штаммов. Это генетическое разнообразие проявляется в различных подтипах и линиях вирусов гриппа А и В, циркулирующих среди людей, а также различных видов животных, включая птиц, свиней, лошадей и даже домашних животных. Это представляет угрозу как для животных, так и для человека, и может иметь серьезные последствия для здоровья населения и сельского хозяйства [11]. Подтипы и генетическое разнообразие вирусов гриппа. Вирусы гриппа А подразделяются на подтипы на основе их поверхностных белков - гемагглютинина (HA) и нейраминидазы (NA). Генетическое разнообразие возникает в результате частых мутаций, приводящих к антигенному дрейфу, и периодической генетической реассортации, приводящей к антигенному сдвигу. Последний вариант ответственен за возникновение пандемических штаммов, что неоднократно наблюдалось в истории [11]. Вирусы гриппа демонстрируют удивительную эволюционную гибкость, обусловленную как внутренней генетической динамикой, так и внешними факторами, такими как иммунитет хозяина. Как подчеркивают различные профильные научные группы [8], отслеживание эволюции гриппа в режиме реального времени позволяет получить беспрецедентное представление о его сезонных закономерностях, случаях несоответствия вакцин и потенциальных пандемиях. Вирус гриппа у птиц может привести к вспышкам болезни на птичьих фермах. Особенно опасными являются высокопатогенные штаммы, такие как H5N1 и H7N9, которые могут привести к большой утрате птиц и снижению производства яиц и мяса. Эти штаммы также могут быть трансмиссивными для человека. Они настолько опасны, что могут привести к летальным случаям. Вирус гриппа, который поражает свиней, вследствие эпизоотии, может вызвать серьезные проблемы в сельском хозяйстве. Смешанные инфекции, в которых участвуют как вирусы гриппа человека, так и вирусы гриппа свиней, могут возникать в результате близкого контакта между человеком и свиньями. Это может способствовать эволюции и появлению новых штаммов, которые имеют потенциал для передачи от свиней к людям. Глобальные закономерности циркуляции сезонного гриппа, особенно H3N2, связаны с антигенным дрейфом -явлением, при котором накапливающиеся мутации в белке HA позволяющие вирусу обходить иммунитет хозяина [11]. Респираторно-синцитиальный вирус является важным возбудителем детских респираторных заболеваний, вызывая бронхиолиты и пневмонии. Он подразделяется на две основные подгруппы - А и В, каждая из которых имеет различные генотипы [3]. Помимо этого, РСВ имеет значение для ветеринарии, особенно в контексте заболеваний, затрагивающих скот и домашних животных. Этот вирус может вызвать респираторные инфекции у различных видов животных, и его воздействие может серьезно сказаться на животноводстве и экономике стран. Геном РСВ, являясь РНК, подвержен мутациям. Особенно заметны вариации в гене белка G, отвечающего за прикрепление вируса к клеткам хозяина. Генетическое разнообразие штаммов РСВ может объяснить рецидивирующие инфекции на протяжении всей жизни. Геномные различия штаммов РСВ были соотнесены с тяжестью заболевания. Штаммы со специфическими генетическими маркерами ассоциируются с более тяжелыми исходами заболевания, особенно у пациентов с ослабленным иммунитетом [12]. Риновирусы, являясь наиболее распространенной причиной простуды, обладают обширным геномным ландшафтом. При наличии более 100 идентифицированных серотипов их генетическое разнообразие велико [6]. Классификация риновирусов человека на виды A, B и C основана на генотипических различиях [7]. Вид С, в частности, был связан с тяжелыми обострениями астмы у детей. Геномные вариации рино-вирусов могут влиять на тяжесть заболевания. Хотя все риновирусы могут вызывать типичные проявления респираторных заболеваний, некоторые штаммы, особенно из вида C, связаны с более тяжелым течением инфекции. Коронавирусы, ранее известные как возбудители легких респираторных заболеваний, вышли на первый план с появлением таких эпидемически значимых штаммов, как SARS-CoV, MERS-CoV и SARS-CoV-2. Появление SARS-CoV-2, возбудителя COVID-19, привлекло внимание к геномному изучению коронавирусов [2]. Идентифицировали этот новый вирус в начале 2020 г., и геномный анализ позволил предположить, что он, скорее всего, происходит от летучих мышей. Последующее геномное отслеживание выявило его быстрые мутации, приведшие к появлению множества вариантов с различной трансмиссивностью и вирулентностью. Понимание геномной эволюции SARS-CoV-2 крайне важно для разработки вакцин и стратегий общественного здравоохранения [13]. Предполагают, что ранние штаммы, возможно, возникли в результате естественного отбора в организме животного-хозяина до зоонозной передачи. Такие выводы имеют принципиальное значение для прогнозирования возможных будущих зоонозных переносов и пандемий. Коронавирусы имеют важное значение также для ветеринарии, поскольку они могут вызывать инфекции у различных видов животных. Эти инфекции могут оказывать серьезное воздействие на здоровье скота, домашних питомцев и диких животных. Некоторые коронавирусы способны переходить с животных на человека, подчеркивая важность контроля коронавирусных инфекций у животных для предотвращения зоонозных угроз. Взаимодействие и адаптация хозяина и вируса. Отношения между хозяином и патогеном представляют собой сложную, динамичную борьбу, в которой оба организма стремятся к выживанию. Эта борьба определяет эволюцию организмов, и геномика сыграла важную роль в раскрытии механизмов, лежащих в основе этих взаимодействий. Одной из особенностей респираторных вирусов является их способность адаптироваться к иммунному давлению хозяина. Например, вирус гриппа может подвергаться частым мутациям в своих белках гемагглютинине (HA) и нейраминидазе (NA), чтобы избежать нейтрализующих антител [10]. Это явление, известное как антигенный дрейф, является результатом взаимодействия иммунного ответа хозяина и генома вируса. Как только респираторные вирусы вторгаются в клетки хозяина, они захватывают клеточный механизм для репликации. Например, вирусы гриппа при репликации РНК опираются на полимеразы хозяина. Стерц и Шоу [9] продемонстрировали, что с помощью скрининга РНК-интерференции (RNAi) можно выявить ключевые факторы хозяина, необходимые для репликации вируса гриппа, и предложить потенциальные мишени для противовирусного лечения. Появившиеся исследования показывают, что геномика хозяина также играет роль в восприимчивости и тяжести респираторных инфекций. Некоторые люди генетически предрасположены к более тяжелым последствиям инфекции из-за специфических вариантов генов, которые могут изменять иммунный ответ [5]. Хозяин и патоген участвуют в непрерывной эволюционной гонке вооружений, в которой любое преимущество, полученное одним из них, вынуждает другого адаптироваться. Например, в работе Bedford et al. показано, как вмешательство человека, например вакцинация против гриппа, способствует его быстрому эволюционному изменению, заставляя постоянно вносить коррективы в формулы вакцин [4]. Одним из наиболее перспективных направлений будущих исследований является интеграция мультиомических подходов, включая геномику, транскриптомику и протеомику, для получения целостного представления о взаимодействии вируса и хозяина. Это может открыть путь к разработке более эффективных методов лечения и профилактических мер. Динамика передачи и распространение эпидемий. Способность респираторного вируса передаваться среди хозяев и впоследствии вызывать эпидемии тесно связана с его геномным составом. Геномные исследования в значительной степени определили наше понимание того, как эти патогены перемещаются в популяциях. Геномные данные позволяют получить молекулярный «отпечаток пальца» вирусных патогенов. Секвенирование вирусов, полученных от разных инфицированных лиц, позволяет построить филогенетические деревья, проследить родословную и цепочки передачи вируса. Например, в работе Bedford геномная эпидемиология была использована для расшифровки динамики передачи гриппа, что позволило выявить глобальные схемы миграции и локальные очаги передачи [4]. Один из факторов, влияющих на динамику передачи эпидемий -это контакты между людьми и животными. Зоонозы - инфекции, передаваемые от животных к человеку, могут стать источником эпидемий, особенно в условиях плотного взаимодействия между людьми и домашними животными или дикой природой. Скорость передачи инфекции также зависит от различных факторов, таких как иммунитет населения, вакцинация, гигиенические меры и сезонные изменения. Современные технологии и методы исследования, такие как моделирование распространения инфекций, молекулярные исследования и мониторинг заболеваний, позволяют более точно анализировать динамику развития эпидемий. Это помогает разрабатывать более эффективные стратегии контроля и профилактики. Важно также учитывать глобальные аспекты динамики развития эпидемий, так как многие инфекции имеют тенденцию к мировому распространению. Международное сотрудничество и обмен информацией играют ключевую роль в предотвращении эпидемий и обеспечении общественного здоровья как у людей, так и у животных. Окружающая среда играет решающую роль в распространении и персистенции респираторных вирусов. Однако геномика открывает возможности, выходящие за рамки традиционной эпидемиологии. Стабильность вирусных частиц в различных средах может влиять на их трансмиссивность. Для таких вирусов, как SARS-CoV-2, понимание геномных детерминант стабильности на различных поверхностях может дать представление о путях передачи [1]. Такие исследования могут помочь в проведении мероприятий по охране здоровья населения - от совершенствования гигиенических протоколов до оптимизации стратегий дезинфекции. Для большинства респираторных вирусов характерна четкая сезонность, причем пик вспышек часто приходится на более холодные месяцы. Взаимодействие между геномными факторами вирусов и условиями окружающей среды представляет большой интерес. В работе Neher & Bedford на основе геномных данных показано, как факторы окружающей среды могут влиять на антигенную эволюцию вирусов гриппа, приводя к ежегодному появлению доминирующих штаммов [8]. Заключение. Геномная эра произвела революцию в нашем понимании респираторных вирусов. В данном обзоре рассматриваются геномное разнообразие и эволюционные закономерности основных респираторных вирусных патогенов. Освещается сложный процесс взаимодействия хозяина и вируса, нюансы влияния окружающей среды на устойчивость и передачу вируса, а также решающая роль геномики в отслеживании эпидемий. Изучение геномов этих патогенов позволило исследователям получить бесценные сведения. От отслеживания возникновения и распространения пандемий до разработки целевых терапевтических средств и вакцин -геномика является ключевым инструментом современной вирусологии. Несмотря на обширность имеющихся знаний, многое еще предстоит изучить. По мере развития вирусов должны совершенствоваться и методы их изучения. Существует острая необходимость в геномном надзоре в режиме реального времени, интегрированном с другими эпидемиологическими данными, для упреждающей борьбы с возникающими угрозами. Геномика, позволяющая получить подробное представление о вирусном ландшафте, открывает путь к более точной стратегии противодействия вирусным инфекциям. Адаптация лечения на основе генотипов вирусов, прогнозирование вспышек на основе геномных данных, разработка эффективных вакцин на основе предсказанных эволюционных путей - вот лишь несколько способов, с помощью которых геномика уже определила и будет определять будущее лечения респираторных заболеваний. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 23-64-00005. Список литературы: 1. Aerosol and surface stability of SARS-CoV-2 as compared with SARS-CoV-1 / N. van Doremalen, T. Bushmaker, D. H. Morris et al. // The New England Journal of Medicine. 2020. Vol. 382. No. 16. P. 1564-1567. 2. A new coronavirus associated with human respiratory disease in China / F. Wu, S. Zhao, B. Yu et al. // Nature. 2020. Vol. 579. No. 7798. P. 265-269. 3. Collins P. L., Fearns R., Graham B. S. Respiratory syncytial virus: virology, reverse genetics, and pathogenesis of disease // Current Topics in Microbiology and Immunology. 2013. Vol. 372. P. 3-38. 4. Global circulation patterns of seasonal influenza viruses vary with antigenic drift / T. Bedford, S. Riley, I. G. Barr et al. // Nature. 2015. Vol. 523. No. 7559. P. 217-220. 5. Holmes E. C. The evolutionary genetics of emerging viruses // Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics. 2009. Vol. 40. P. 353-372. 6. Human rhinoviruses / S. E. Jacobs, D. M. Lamson, K. S. George et al. // Clinical Microbiology Reviews. 2013. Vol. 26. No. 1. P. 135-162. 7. McIntyre C. L., Knowles N. J., Simmonds P. Proposals for the classification of human rhinovirus species A, B and C into genotypically assigned types // Journal of General Virology. 2013. Vol. 94. No. 8. P. 1791-1806. 8. Neher R. A., Bedford T. Real-time analysis and visualization of pathogen sequence data // Journal of Clinical Microbiology. 2015. Vol. 53. No. 11. P. 3404-3408. 9. Stertz S., Shaw M. L. Uncovering the global host cell requirements for influenza virus replication via RNAi screening // Microbes and Infection. 2011. Vol. 13. No. 5. P. 516-525. 10. Taubenberger J. K., Morens D. M. The pathology of influenza virus infections // Annual Review of Pathology: Mechanisms of Disease. 2008. Vol. 3. P. 499-522. 11. The global circulation of seasonal influenza A (H3N2) viruses / C. A. Russell, T. C. Jones, I. G. Barr et al. // Science. 2012. Vol. 336. No. 6080. P. 340-346. 12. The host response and molecular pathogenesis associated with respiratory syncytial virus infection / C. M. Oshansky, W. Zhang, E. Moore et al. // Future Microbiology. 2014. Vol. 9. No. 6. P. 683-700. 13. The proximal origin of SARS-CoV-2 / K. G. Andersen, A. Rambaut, W. I. Lipkin et al. // Nature Medicine. 2020. Vol. 26. No. 4. P. 450-452. 14. World Health Organization. (2023). Influenza (seasonal). https://www.who.int/ news-room/fact-sheets/detail/influenza-(seasonal) Резюме. Респираторные заболевания, вызываемые множеством вирусных патогенов, представляют собой значительное бремя для здоровья людей во всем мире. Среди них грипп, респираторно-синцитиальный вирус, риновирусы, а в последнее время и коронавирусы. В данном обзоре авторами рассматриваются последние достижения в области геномики, которые не только расширили представления об этих вирусных патогенах, но и позволили получить бесценные сведения об их эволюции. Такие знания имеют решающее значение для диагностики и профилактики. Респираторные заболевания поражают преимущественно дыхательные пути, включающие нос, горло и легкие. Такие вирусные инфекции, как грипп, респираторно-синцитиальный вирус, риновирусы и коронавирусы, имеют глобальное значение. Например, ежегодные вспышки гриппа приводят к значительной заболеваемости и смертности, в результате которых в мире умирает до 650 тыс. человек. Подобные заболевания, как пандемия COVID-19, вызванная новым коронавирусом SARS-CoV-2, парализовали земной шар, подчеркивая непредсказуемость и потенциальную разрушительность респираторных вирусных патогенов. Роль геномики в понимании эволюции вирусов является ключевой. Изучение генома вирусов позволяет понять их происхождение, эволюционные закономерности и потенциальную уязвимость населения. Обширные геномные данные, доступные сегодня, проливают свет на генетическое разнообразие вирусных популяций, позволяя отслеживать пути передачи и прогнозировать будущие эволюционные траектории. Авторы обобщили современные геномные знания об основных вирусных патогенах, вызывающих респираторные заболевания, изучив их эволюционные пути и последствия, оценив их генетическое разнообразие, взаимодействие хозяина и вируса, динамику передачи инфекции, а также то, как результаты геномных исследований определяют стратегии профилактики и лечения. Ключевые слова: РНК-вирусы, генетическое разнообразие, эволюция, вирус гриппа, SARS-CoV-2, пневмовирусы, адаптация вирусов, вспышка, патоген, геном. Сведения об авторах: Охлопкова Олеся Викторовна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник отдела биофизики и экологических исследований ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора, старший научный сотрудник лаборатории геномики и эволюции вирусов НИИ вирусологии ФИЦ ФТМ; тел.: 8-913-7068940; e-mail: ohlopkova.lesia@yandex.ru. Столбунова Кристина Александровна, стажёр-исследователь отдела биофизики и экологических исследований ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора; тел.: 8-961-2228636; e-mail: stolbunova_ka@vector.nsc.ru. Степанюк Марина Алексеевна, стажёр-исследователь отдела молекулярной вирусологии флавивирусов и вирусных гепатитов ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора; тел.: 8-903-9060745; e-mail: stepanyuk_ma@vector.nsc.ru. Мошкин Алексей Дмитриевич, стажёр-исследователь отдела биофизики и экологических исследований ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора, город Новосибирск, тел.: 8-961-4942146; e-mail: moshkin_ad@vector.nsc.ru. Ермаков Алексей Михайлович, доктор биологических наук, профессор, декан факультета «Биоинженерия и ветеринарная медицина» ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет»; e-mail: amermakov@yandex.ru. Соболев Иван Андреевич, старший научный сотрудник, руководитель лаборатории геномики и эволюции вирусов НИИ вирусологии ФИЦ ФТМ; тел.: 8-961-2284278; e-mail: sobolev.riov@yandex.ru. Шестопалов Александр Михайлович, доктор биологических наук, профессор, директор НИИ вирусологии ФИЦ ФТМ; e-mail: amshestopalov@frcftm.ru. Ответственный за переписку с редакцией: Попов Игорь Витальевич, младший научный сотрудник факультета «Биоинженерия и ветеринарная медицина» ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет»; младший научный сотрудник направления «Иммунобиология и биомедицина» НТУ «Сириус»; младший научный сотрудник НИИ вирусологии ФИЦ ФТМ; e-mail: ipopov@donstu.ru.
|
|
| 2011 © Ветеринария Кубани | Разработка сайта - Интернет-Имидж | |
|---|---|---|