Читать книгу "Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги? - Майкл Кордингли"

Вакцинацию живым ослабленным вирусом можно сравнить с межвидовой передачей вирусов, вызывающих зоонозную инфекцию. Если вакцинный штамм является РНК-содержащим вирусом, то можно ожидать, что введение вакцины приведет к появлению популяции генотипов, представляющих квазивиды, возникающие во время репликации и амплификации вируса в клетках хозяина. Больше того, репликация вируса в реципиенте вакцины создает генетическое разнообразие, обеспечивая возможность для реверсии ослабленного генотипа. Это реальное, но редко проявляющееся осложнение вакцинации живыми ослабленными вирусами.

Разработанная Альбертом Сэбином для приема внутрь вакцина, приготовленная из ослабленного живого вируса полиомиелита и введенная в клиническую практику в пятидесятые годы, является главным оружием в кампании глобального искоренения полиомиелита. Можно надеяться, что это будет второй (после натуральной оспы) вирус, который будет уничтожен благодаря технологии производства вакцин. Заболеваемость полиомиелитом в мире сократилась на 99 %, но вирус остается эндемичным в некоторых странах, где охват населения вакцинацией остается низким (WHO, 2015b). Вакцина высокоэффективна, потому что вирус инфицирует клетки нашего кишечника и реплицируется там до высоких титров. Он не вызывает заболевание, но приводит к мощному и пожизненному иммунному ответу на вирус. Но эта репликация, однако, с необходимостью влечет за собой появление генотипических вариантов с потенциально высокой патогенностью и, самое главное, вирулентностью в отношении нервных клеток. В местах с недостаточным охватом населения вакцинацией эволюция таких производных от вакцин вирусов полиомиелита привела к вспышкам этого заболевания, которые угрожают успеху программы искоренения полиомиелита (Burns et al., 2014). Неспособность полиовирусной РНК-полимеразы без ошибок редактировать свой продукт приводит к неверному включению нуклеотидов во время каждого цикла репликации генома. Вакцинный штамм Сэбин-1 серотипа 1 вируса полиомиелита отличается от родительского вирулентного дикого вируса P1/Mahoney 56 отдельными мутациями, рассеянными среди 7600 нуклеотидов РНК-генома (Christodoulou et al., 1990). Тем не менее некоторые из этих мутаций оказывают большее влияние на ослабленный фенотип, чем другие, и во время репликации в клетках кишок реверсия всего одной или нескольких из этих ослабляющих мутаций может породить вирулентные штаммы, способные вызвать заболевание полиомиелитом (Burns et al., 2014).

Так как вакцинация от полиомиелита призвана защитить от инфекции всеми тремя циркулирующими серотипами вируса полиомиелита, вакцина включает в себя три различных ослабленных штамма (Сэбин1–3), и каждый из них характеризуется уникальным распределением ослабляющих мутаций. Следовательно, существует возможность генетического обмена или рекомбинации между различными вакцинными штаммами, если они инфицируют одновременно одну клетку кишечника. В некоторых местностях в популяции циркулируют близкородственные энтеровирусы, не вызывающие полиомиелит, и возникающие межвидовые рекомбинанты могут приводить к появлению патогенных штаммов (Arita et al., 2005; Joffret et al., 2012). Несмотря на то что вирусы, производные от вакцин против полиомиелита, могут вызывать вспышки полиомиелитной инфекции в местностях, где выполняют мало вакцинаций, они не приводят к столь тяжелым последствиям там, где вакцинация находится на должном уровне. Несмотря на появление реверсивных вирусов у отдельных реципиентов вакцины, риск того, что такие вирусы смогут вызвать явное поражение нервной системы, не превышает одного случая на полмиллиона. Тем не менее возвращение к применению инактивированной вакцины может оказаться необходимым в местностях, где охват населения вакцинацией низок, несмотря на кампанию всеобщей вакцинации (Grassly, 2013).

Ослабление по плану

Легкость, с какой может быть достигнута в результате последовательного пассажа в модифицированной среде аттенуация РНК-содержащих вирусов, подчеркивает тот факт, что, несмотря на склонный к ошибкам процесс репликации, эти вирусы имеют геномные последовательности, которые превосходно настроены на приспособленность и совершенствуются под действием давления очищающего отбора. Оптимизированные и приспособленные их генотипы балансируют на острие ножа. Фенотип вируса, очевидно, зависит от аминокислотных последовательностей его белков; поэтому на эти последовательности сильно влияют последовательности нуклеотидов в РНК. Некоторые последовательности РНК функционируют в качестве контрольных элементов сами по себе или свертываются в сложные структуры, характеризующиеся своей особой функциональностью. Для того чтобы понять и оценить этот пункт нам стоит лишь исследовать природу ослабляющих мутаций в вирусе полиомиелита Сэбин-1. Одна из наиболее важных мутаций, ведущих к ослаблению вируса, располагается на 5’-конце некодирующей области генома и приводит к дестабилизации комплементарного спаривания оснований, которое важно для поддержания вторичной структуры генома (Minor et al., 1993). Другие ограничения, накладываемые на геномные последовательности, также очевидны; они были обнаружены учеными Университета Стони Брука, а также работниками Центров по контролю и профилактике заболеваний (Burns et al., 2006; Coleman et al., 2008; Mueller, Papamichail, Coleman, 2006). Это ограничение заключается в кодонной неслучайности, которая поддерживается давлением отбора на вирусные геномы. Наш собственный геном и геномы различных бактерий проявляют кодонную неслучайность так же, как и геномы вирусные. Заметив, что 300 аминокислотных последовательностей в белках можно закодировать 10151 комбинациями 300 кодонов, выбранных в вырожденном генетическом коде, зададим себе вопрос: действительно ли данная работающая последовательность является оптимальной для приспособленности (Coleman et al., 2008)? На самом деле является; дело не только в том, что кодируют вирусные гены, но и в том, как они это кодируют, и именно в этом кроется оптимальная приспособленность генома. Ученые прибегли к компьютерным инструментам, которые позволили перекодировать капсидный белок полиовируса P1, изменив кодонную неслучайность, но сохранив способность цепи РНК сложиться в такую же вторичную структуру, что и родительский дикий тип.

Результаты проложили путь к исследованию живых ослабленных вакцин – к созданию синтетических ослабленных вирусов (synthetic attenuated virus engineering, SAVE). Был создан вирус с 631 синонимической мутацией в кодирующей последовательности P1, причем закономерным было использование кодонов, которые редко используются в клетках человека. В результате получился резко ослабленный вирус, который не вызывал заболевания у подопытных животных и, подобно живому ослабленному полиовирусу, созданному Сэбином, стал высокоэффективной вакциной. Однако, в отличие от штаммов Сэбина, множественность генетических изменений, определяющих ослабление, соответствует фенотипу, более устойчивому к реверсии in vivo. Эта технология чрезвычайно полезна для разработки безопасных и устойчивых ослабленных вирусов, которые вызывают иммунный ответ такой же силы, что и естественный инфекционный возбудитель. В настоящее время есть много примеров искусственного создания синтетических ослабленных вакцин; самое примечательное, что этот метод был применен для создания живой ослабленной вакцины против гриппа, то есть вируса, который мы, в отличие от вирусов оспы и полиомиелита, не сможем искоренить и для которого вакцинация остается единственным способом держать болезнь под контролем.