Flu Evolution: Hvordan forskere bruger genomsekvensering til at forudsige fremtiden

Evolution er som regel meget langsom, en forandringsproces, der tager tusinder eller millioner af år at se.

Men for influenza er evolutionen hurtig - og dødelig. Influenzavirus ændrer sig hurtigt for at undslippe kroppens forsvar. Hvert par år opstår nye varianter af influenza og forårsager epidemier rundt om i verden.

Styring af influenzaens udbredelse betyder at håndtere denne igangværende udvikling. Hvert år skal eksperter fra Verdenssundhedsorganisationen (WHO) gøre deres bedste gæt om, hvordan viruset vil ændre sig for at vælge, hvilke influenzastammer der skal medtages i den årlige vaccine.

Dette arbejde er svært og usikkert, og fejl har reelle konsekvenser. Influenza inficerer hvert år flere millioner mennesker hvert år og forårsager hundredtusinder af dødsfald. I år, hvor forudsigelserne savner mærket, og influenzaskuddet er meget forskelligt fra cirkulerende stammer, er flere mennesker sårbare for infektion.

I de seneste år har forskud i genom-sekventering begyndt at kaste lys over begyndelsen af ​​viral evolution, dybt inden for individuelle infektioner. Vi spekulerede på, om disse oplysninger for influenza kan give os et hurtigt glimt af fremtidens globale evolutionære tendenser.

Hvad kan en enkelt persons influenzainfektion fortælle os om, hvordan virussen ændres over hele verden? Som det viser sig, en overraskende mængde.

Ser dybt inde i en infektion

Hvert trin i influenzens udvikling begynder med en fejltagelse. Da vira kopierer sig inden for en inficeret person, muterer de nogle gange og skaber små ændringer i deres genetiske plan.

De fleste mutationer er skadelige for viruset, fordi de bryder de maskiner, det skal fungere. Men så ofte overlever en mutantvirus og trives endda. Virus spiller et konstant spil af katte-og-mus med det menneskelige immunsystem. Nogle gange kan en mutantvirus være lige forskellig nok til at undslippe kroppens varsel.

En mutantvirus med denne form for fordel kan formere sig hurtigt og komme til at dominere infektionen. Til sidst kan det endda sprede sig fra person til person, og derfra begynder at sprede sig rundt om i verden.

For nylig er det blevet lettere at spore, hvordan virus ændrer sig i menneskekroppen. De samme fremskridt, der har gjort det billigt og let at sekvensere menneskelige genomer, ændrer, hvordan vi studerer vira. For omkostningerne ved sekventering af et enkelt menneskeligt genom kan vi sekvensere tusindvis af virus fra hele en infektion for at spore nye mutationer, som de opstår.

Disse mutationer kan vise os, hvordan virussen reagerer på udfordrende miljøer i menneskekroppen. For hiv, hvor infektioner ofte i sidste år eller endog årtier, kan udviklingen være betydelig, selv inden for en enkelt person. I særdeleshed udvikler vira lægemiddelresistens som svar på antiviral behandling.

Sporing af Flu Evolution i 4 lange infektioner

Vi har for nylig sporet viral evolution hos fire kræftpatienter, der havde influenzainfektioner, der varede flere måneder. De fleste influenzainfektioner varer cirka en uge, hvilket begrænser mængden af ​​forandring, der kan opstå. Men hos patienter med svage immunsystemer kan infektioner vare længe med alvorlige virkninger.

Hvordan ændrede influenza inden for disse lange infektioner? Ved at sekventere vira fra forskellige tidspunkter under infektionen og sammenligne deres genomer, kunne vi identificere nye mutationer og spore deres skæbne.

Evolution handlede om nogle uger. Et klart eksempel var resistens over for Tamiflu. Patienterne vi studerede tog stoffet for at kontrollere deres infektioner. Men som i tidligere undersøgelser opstod vira, der transporterede lægemiddelresistensmutationer, til sidst. Disse mutationer kan delvis forklare, hvorfor infektionerne varede så længe.

Drug-resistensmutationer var ikke de eneste evolutionære ændringer, vi så. Et halvt dusin mutantvirus, som kun er lidt anderledes end hinanden, vil nogle gange konkurrere samtidigt i en enkelt person.

Disse konkurrerende vira gjorde evolutionen en kompliceret affære. En mutation, der begyndte at sprede sig en uge, kunne undertiden uddøbe den næste. Formentlig blev det outcompeted af en endnu bedre mutation.

I nogle tilfælde fandt vi nøjagtigt de samme mutationer i vira fra forskellige patienter i vores undersøgelse, selvom vi kunne fortælle, at patienterne ikke inficerede hinanden. Vi ville kun meget sjældent forvente, at sådanne ligheder skulle ske som følge af en tilfældighed. Virusene kan have ramt lignende tilpasninger som reaktion på evolutionære udfordringer. Nogle af disse mutationer kan have hjulpet virussen med at undgå immunsystemet, der ekko andre undersøgelser.

Forudsigelse af fremtiden

Derudover matchede mange mutationer inden for disse patienter mutationer, der senere spredte sig rundt om i verden. I spidserne af influenzens ydre frakke, som hjælper virussen ind i værtsceller, udviklede mutationen N225D i tre af de fire patienter i vores undersøgelse. I 2015 var omkring 8 år efter vores patienter smittet, de fleste influenzavirus verden rundt bragte nøjagtig samme forandring.

For os var dette uventet. Evolution er fuld af trade-offs, og nogle mutationer, der hjælper influenza tilpasning inden for mennesker, kan sænke overførslen fra person til person. Vi vidste heller ikke, om udviklingen i sådanne usædvanligt lange influenzavirusinfektioner ville matche ændringsmønstre rundt om i verden.

Men i vores undersøgelse viste influenzaevolutionen hos de enkelte mennesker slående ligheder med evolution verden over. Vi kunne se hints om nogle globale evolutionære tendenser inden for nogle få enkeltpersoner.

Som teknologier fortsætter med at forbedre, bliver det lettere at se dybt indenfor influenzainfektioner, som vi gjorde. WHO labs sekvens influenza stammer fra tusindvis af mennesker hvert år for at overvåge influenza evolution. Forskere sekventerer flere og flere stammer på måder, som får os til at fange mutationer, som de først opstår inden for enkeltpersoner.

Hver af disse tusindvis af infektioner er som et separat evolutionært eksperiment. Ved at sammenligne mutationer, der forekommer i forskellige infektioner, kan vi få en følelse af evolutionære muligheder og begrænsninger.

Et eller andet sted i køen kan denne form for information hjælpe med at forudsige influenzaens udvikling. I det mindste er det i det mindste afsløret nogle af de dynamiske udviklingsprocesser, der finder sted inden for hver af os.

Denne artikel blev oprindeligt udgivet på The Conversation af Katherine Xue og Jesse Bloom. Læs den oprindelige artikel her.