Sciencemag.cz
Related Articles
Původ Omikronu zůstává dodnes záhadou, protože je geneticky natolik odlišný od ostatních variant koronaviru.
Čeští a izraelští vědci v laboratorních podmínkách zrekonstruovali evoluční cestu koronaviru SARS-CoV-2 a zároveň odhalili podmínky, které mohou vést ke vzniku vysoce nakažlivých variant.
Klíčový krok při vzniku mnoha pandemií nastává ve chvíli, kdy virus přenášený ze zvířat infikuje člověka a následně se vyvine tak, aby se efektivněji šířil z člověka na člověka. Právě proto vědci a lékaři pečlivě sledují viry, které by mohly přeskočit ze zvířat na lidi, například nové kmeny ptačí chřipky či netopýří koronaviry. Zároveň monitorují i viry, které již člověka infikují, ale zatím se mezi lidmi šíří jen omezeně, například hantavirus nebo Ebola.
V nové spolupráci laboratoří Dr. Jiřího Zahradníka z 1. lékařské fakulty Univerzity Karlovy v centru BIOCEV a prof. Gideona Schreibera z Weizmannova institutu věd se výzkumníkům podařilo během několika měsíců v laboratorní zkumavce zrekonstruovat evoluční cestu koronaviru, kterou během pandemie COVID-19 prošel. Od původního kmene identifikovaného v Wuhanu, přes vznik vysoce nakažlivé varianty Omikron až po pokročilé podvarianty Omikronu. Důležité je, že všechny experimenty byly prováděny bezpečnou a přísně kontrolovanou metodikou založenou na in vitro evoluci a purifikovaných proteinech namísto práce s živými viry. Výsledky studie publikované v časopise Nature Communications dávají naději, že by v budoucnu mohlo být možné předvídat, jakým směrem se viry pravděpodobně vyvinou a za jakých podmínek mohou vznikat nové vlny infekce.
V srpnu 2021 publikoval Zahradník se svými kolegy výsledky experimentu in vitro evoluce, který identifikoval dvojici mutací ve vazebném místě koronaviru, jež výrazně zvyšují nakažlivost viru díky lepší vazbě na receptory v lidských dýchacích cestách. Přibližně o tři měsíce později byla v Jihoafrické republice poprvé identifikována varianta Omikron a při jejím sekvenování vědci objevili přesně stejnou dvojici mutací (jednalo se o mutace Q498R, N501Y). Tehdy si výzkumníci uvědomili, že metoda in vitro evoluce vyvinutá v jejich laboratoři by mohla potenciálně předpovídat zásadní zlomové body v průběhu pandemií a lze ji upravit tak, aby vhodně mimikovala podmínky při kterých se pandemické viry vyvíjí.
Evoluce probíhá prostřednictvím mutací a jejich selekcí. Aby viry přežily a šířily se, množí se velmi rychle, což často vede ke vzniku mutací, které se mohou hromadit a dávat tím vznik novým variantám. V nové studii vědci replikovali gen kódující vazebné místo koronaviru pomocí záměrně chybového mechanismu, čímž simulovali vznik mutací „ve zrychleném režimu“. Pomocí geneticky upravených buněk pivních kvasinek (Saccharomyces cerevisiae) následně vystavili miliony vzniklých variant lidským receptorům a napodobili přirozený výběr tím, že zachovali pouze ty varianty, které se na receptory stále úspěšně vázaly. Opakováním cyklů mutací a selekce se vědcům podařilo zrekonstruovat evoluci interakce mezi virem a člověkem během celého dosavadního průběhu pandemie.
Na startovní čáře tohoto evolučního závodu ve zkumavce stál původní kmen identifikované ve městě Wuhan a několik variant, které se během pandemie objevily, včetně variant Alpha, Beta a Omikron. Výzkumníci zkoumali, jak se jejich vazebná místa vyvíjela ve dvou scénářích: při silném selekčním tlaku a při slabém selekčním tlaku. Silný selekční tlak představuje situaci, kdy každou evoluční fázi přežije pouze malé množství nejlépe přizpůsobených variant, což umožňuje výhodným mutacím rychle převládnout. Experiment simulující tento scénář, provedený na Weizmannově institutu, vedl doktorand Aviv Shoshany ze skupiny Prof. Schreibera. Při slabém selekčním tlaku naopak přežívá mnoho virových variant a výhodné mutace se pouze obohacují, aniž by zcela převládly. Tento scénář v České republice simulovala doktorandka Ruojin Tian a data dále analyzoval bioinformatik Dr. Martin Mokrejš ze skupiny Jiřího Zahradníka.
„Bez ohledu na to, s jakou virovou variantou jsme začínali, při silném selekčním tlaku se vždy velmi brzy objevila varianta nápadně podobná Omikronu a jeho podvariantám, která rychle ovládla celou populaci,“ říká Zahradník. „Přesně stejnou trajektorii jsme pozorovali během pandemie koronaviru, která od konce roku 2021, kdy se Omikron stal dominantní variantou, již neprodělala další podobně zásadní změnu. Ve skutečnosti se nám podařilo přesně zrekonstruovat evoluční cestu koronaviru mezi miliardami lidí během tří let v laboratorních experimentech trvajících jen pár měsíců.“
„Je zřejmé, že některé budoucí pandemie vznikající přenosem virů ze zvířat na člověka mohou následovat podobnou cestu – rychlou evoluční adaptací vrcholící dominancí virové varianty, která je vysoce nakažlivá a specificky přizpůsobená vazbě na lidské receptory,“ předpovídá Schreiber. „Zkoumali jsme, zda by se něco podobného mohlo stát i u viru SARS (SARS-CoV-1), jehož epidemie na počátku 21. století zůstala omezená. Když jej Dr. Miguel Padilla-Blanco ze Zahradníkovy skupiny a nyní postdoktorand v Margarita Salas Center pro Biologický výzkum v Madridu v České republice podrobil podobné evoluci při silném selekčním tlaku, rychle převládla varianta, která se velmi efektivně váže na receptory v dýchacích cestách. Dobrou zprávou je, že některé z vybraných mutací vykazují vysokou podobnost s koronavirem SARS-CoV-2, který způsobil pandemii, a je tedy pravděpodobné, že proti nim máme částečnou imunitu a tento virus už pandemii nezpůsobí.“
Záhada Omikronu
Evoluční cesta vedoucí k dominanci Omikronu nebyla při slabém selekčním tlaku pozorována a počítačové simulace ukázaly proč. Během procesu mutací a jejich akumulace je totiž důležité jaké vznikají kombinace. Pokud jedna z mutací poskytne nové virové variantě výhodu a pomůže jí ovládnout populaci, mohou se spolu s ní „svézt“ i další mutace s neutrálním nebo dokonce negativním dopadem. Simulace ukázaly, že při silném selekčním tlaku se výhodné mutace a jejich kombinace prosadí dříve, než se tyto „přidružené“ mutace stihnou nahromadit. Při slabém selekčním tlaku však výhodné mutace s sebou táhnou mnoho dalších změn, čímž se jejich vlastní evoluční výhoda oslabuje.
Původ Omikronu zůstává dodnes záhadou, protože je geneticky natolik odlišný od ostatních variant koronaviru. U zdravých jedinců imunitní systém virus rychle odstraní, takže nemá dostatek času nahromadit velké množství mutací. Výzkumníci proto vyslovili hypotézu, že Omikron mohl vzniknout u imunokompromitovaných osob, u nichž může infekce přetrvávat celé měsíce a během této doby získat mnoho mutací. „Aby virus v jejich organismu přežil, musel opakovaně bojovat se zbytkovou aktivitou imunitního systému a znovu infikovat receptory v dýchacích cestách,“ vysvětluje prof. Schreiber. „To jsou přesně podmínky silného selekčního tlaku a naše studie ukazuje, že jsou zásadní pro vznik Omikronu“. Což dále podporuje hypotézu, že tato varianta vznikla u imunokompromitovaných lidí.
Zajímavé je, že když jsme selekci zahájili přímo z varianty Omikron, k udržení omikronových sekvencí stačil jak silný, tak slabý selekční tlak, což vysvětluje, proč tato varianta v běžné populaci přetrvává. To zdůrazňuje, jak důležité je správně léčit imunosupresivní stavy, například AIDS, ještě před vypuknutím další globální pandemie, a chránit imunokompromitované osoby před infekcí a chronickým onemocněním.“
Vázat se, nebo unikat
O tom, zda virus přežije v lidské populaci, rozhodují tři hlavní faktory: infekčnost, funkčnost stavebních prvků viru a schopnost unikat imunitnímu systému. Rovnováha mezi těmito faktory a jejich změnami dosud nebyla známá.
„V našem evolučním experimentu jsme v každé fázi vybírali varianty, které se nejsilněji vážou na lidský receptor, a při silném selekčním tlaku jsme zároveň požadovali, aby zůstaly stabilní i při vysokých teplotách,“ říká Schreiber. „Přestože se viry vůbec nemusely vyrovnávat s imunitním systémem, objevila se většina charakteristických mutací Omikronu. To ukazuje, že evoluce koronaviru byla zpočátku primárně poháněna snahou o zlepšení vazby na receptor a že vznik těchto mutací nevyžaduje imunitní tlak. Analýzou sekvenačních databází jsme však zjistili, že s rostoucí kolektivní imunitou začal virus hromadit ‚kompromisní‘ mutace. Tedy mutace vyvažující infekčnost a únik před imunitní odpovědí.“ Dr. Zahradník dodává, že tato situace nastala mnohem později, než se běžně uvádělo v odborné i běžné komunikaci.
„Metodu in vitro evoluce, kterou jsme vyvinuli, bude možné v budoucnu aplikovat i na další nebezpečné viry,“ dodává. „Budeme schopni izolovat virové proteiny a zkoumat, jakým směrem se pravděpodobně vyvinou za různých scénářů. Náš přístup umožňuje identifikovat nebezpečné varianty ještě předtím, než se stanou dominantními, což pomůže zaměřit úsilí na prevenci podmínek, které jim umožňují převládnout a připravit se na ně s předstihem.“
Na studii se dále podíleli Adam Hruška a Aditi Konar z 1. lékařské fakulty Univerzity Karlovy, Katarina Baxova z ÚOCHB Akademie věd ČR a Dr. Eyal Zoler z Sekce biomolekulárních věd Weizmannova institutu věd.
