Коронавирус не может бесконечно увеличивать свою приспособленность
Авторы опубликованной на bioRxiv статьи, среди которых Фэн Чжан, Юрий Вольф и Евгений Кунин, рассмотрели перспективы появления новых мутаций в гене S-белка коронавируса SARS-CoV-2, которые бы позволяли ему ускользать от иммунного ответа. Моделирование показало, что у варианта дельта таких возможностей меньше, чем у гаммы и вируса дикого типа. Со всеми необходимыми оговорками исследователи отмечают, что это — «хорошая новость».
Вирионы SARS-CoV-2 (вариант B.1.1.7, или альфа)
Возможность появления новых мутаций авторы статьи исследовали in silico, с помощью компьютерного моделирования. При этом в центре внимания было эпистатическое взаимодействие новых мутаций коронавируса. В учебниках по классической генетике говорится, что эпистаз — это воздействие одного гена на фенотипические проявления другого, неаллельного ему. Методы современной биологии позволяют рассматривать эпистатические взаимодействия между мутациями в двух участках одного гена, которым соответствуют разные фрагменты одного белка. Если две такие мутации повышают общую приспособленность организма, это называется положительным эпистазом, если снижают — отрицательным эпистазом.
Положительный эпистаз следует отличать от аддитивного взаимодействия, когда эффект двойной мутации равен сумме эффектов каждой из мутаций. Аддитивное взаимодействие возможно, если одна мутация никак не влияет на проявление другой. Но в пределах одного белка нетрудно представить ситуацию, когда одна мутация — например, уничтожающая цистеиновый мостик или нарушающая третичную структуру белка более тонким путем — влияет на остальные. Поэтому эпистатические взаимодействия играют важную роль в эволюции белков коронавирусов.
Понятие эпистаза имеет прямое отношение к коронавирусной пандемии. Весь мир следит за появлением новых вариантов и обсуждает, как изменяют свойства вируса новые мутации. Особое значение имеют мутации в рецепторсвязывающем домене (RBD) S-белка SARS-CoV-2. Этот домен отвечает за взаимодействие с клеточным рецептором ACE2 и проникновение вируса в клетку. Естественно, что антитела, которые связываются с RBD, часто являются нейтрализующими (NAb), то есть снижают инфекционность вируса. (Хотя есть нейтрализующие антитела, которые распознают и другие участки S-белка.)
Опасным может оказаться новый вариант вируса, RBD которого прочно связывается с клеточным рецептором (то есть вирус сохраняет способность поражать клетку) и при этом непрочно — с нейтрализующими антителами против старых вариантов коронавируса (вирус ускользает от иммунного ответа у переболевших или вакцинированных). Вопрос, насколько вероятно появление новых таких вариантов, волнует всех. А произойти это может за счет эпистаза — комбинации мутаций, которая изменит структуру RBD, придав ему два взаимоисключающих на данный момент свойства.
Авторы статьи, размещенной на bioRxiv, проверили, как повлияют мутации в RBD, приводящие к замене одной аминокислоты, на взаимодействие с ACE2 и NAb у коронавируса дикого типа (WT), а также у вариантов гамма (замены аминокислот в RBD — 417T, 484K, 501Y) и дельта (452R, 478K). Для моделирования использовали программный пакет Rosetta.
Ландшафт мутаций, способствующих избеганию иммунного ответа
Новые по сравнению c WT мутации в сайтах, критичных для связывания, расположили в координатной плоскости, где по горизонтальной оси откладывается влияние мутации на аффинность связывания с рецептором, а по вертикальной — на аффинность связывания с нейтрализующим антителом. Наиболее опасными должны быть мутации, которые ослабляют связывание с антителом, не ослабляя связывание с рецептором (темно-розовый квадрант). Все мутации, ухудшающие связывание с рецептором, снижают жизнеспособность вируса и менее страшны для нас.
Ожидаемо, большая часть исследованных мутаций расположилась по диагонали квадрата: ухудшение связывания нейтрализующих антител ухудшает и связывание с рецептором. Потенциально опасны мутации, которые оказались над диагональю в левой части плоскости (точки, обведенные черным). Они получат преимущества в популяции, где большинство людей имеет иммунитет.
Согласно результатам моделирования, некоторые мутации в шести сайтах (417, 477, 484, 491, 493, 499) дестабилизируют комплекс RBD-NAb сильнее, чем комплекс RBD-ACE2. Мутации в сайте 453 одновременно стабилизируют комплекс RBD-ACE2 и дестабилизируют комплекс RBD-NAb.
Эти сайты эпидемиологам знакомы. По данным GISAID, замены 501Y (вариант альфа), 477N, 439K, 484K, 478K и 459F появились с июля по ноябрь 2020 года. Одиночные мутанты в итоге были вытеснены четырьмя вариантами с множественными мутациями в RBD (452R|478K/дельта, 417T|484K|501Y/гамма, 417N|484K|501Y/бета, 346K|484K|501Y). В марте 2021 года варианты альфа, гамма и дельта стали более распространенными, чем WT.
Почему варианты с одиночными мутациями вытесняются множественными — например, на смену альфе с мутацией 501Y приходят бета и гамма, которые содержат эту мутацию, но не только ее? Причиной могут быть как аддитивные взаимодействия, так и эпистатические. Например, мутация 501Y увеличивает аффинность связывания с рецептором ACE2, и она давала вирусу преимущество в популяции, где людей с иммунитетом мало. У варианта бета 417N сильно мешает связыванию антител, а 501Y выполняет компенсаторную роль, не позволяя вирусу «потерять» рецептор. Это пример положительного эпистаза.
Самый актуальный вопрос: какие мутации могут повысить приспособленность широко распространенных новых вариантов, таких как гамма и дельта?
Аналогичное моделирование для гаммы и дельты дало обнадеживающий результат. Новых мутаций, способных к эпистатическому взаимодействию к нарушению взаимодействия с антителами, но не с рецепторами, для этих вариантов не так много. Кандидантных мутаций, которые улучшили бы приспособленность дикого типа, но не дельты, больше, чем таких, которые улучшили бы приспособленность дельты, но не дикого типа. Иными словами, у дельты меньше шансов эволюционировать в более опасную сторону.
У варианта гамма конформация RBD в комплексе с АСЕ2 иная, чем у дельты и дикого типа, и во взаимодействие с АСЕ2 вовлечено больше аминокислот, следовательно, и чувствительность к мутациям у него должна быть ниже. (Интересно, что замена 484K у гаммы не влияет на взаимодействие с АСЕ2, но влияет на взаимодействие с антителами.) Для варианта гамма кандидатных мутаций найдено на 22% больше, чем у дикого типа. Тем не менее появление подобной мутации менее вероятно, чем такой, которая снизит эффективность связывания с рецептором.
В итоге выделены мутации, значительно увеличивающие риск ускользания от иммунного ответа, — те, что приводят к заменам в трех сайтах RBD: 417, 477, 494, а также близких к ним. Сайт 417 актуален только для гаммы, она уже содержит замену 417T, но другие изменения в этом сайте могут усилить ускользание. Замены в сайте 494 способны значительно усилить уход от иммунного ответа, если возникнут в гамме, но гораздо меньше — в дельте. Действительно, есть экспериментальные данные, согласно которым замена 494P снижала нейтрализующую активность сыворотки переболевших.
Таким образом, потенциал для появления вариантов, обеспечивающих уклонение от иммунной системы, у коронавируса ограничен. «Мы пришли к выводу, что небольшой набор мутаций, усиливающих ускользание, уже идентифицированных для дикого типа, вероятно, включает большинство всех возможных мутаций с этим эффектом», — отмечают авторы. «По мере роста количества вакцинированных в мире можно ожидать появления новых мутаций, дестабилизирующих взаимодействия RBD как с NAb, так и с ACE2, что приведет к появлению (частично) ускользающим вариантам, которые, однако, также будут иметь пониженную инфекционность. Однако варианты, подобные гамме, которые несут как мутацию, дестабилизирующую комплекс с антителом, так и компенсаторную мутацию, могут подорвать эту тенденцию».
Методы структурного моделирования, использованные в этой работе, можно использовать для оценки эволюционного потенциала новых вариантов, вызывающих опасения. Они позволят выделить варианты, требующие более пристального наблюдения и, возможно, разработки индивидуализированной вакцины.
8.09.2021