Рембрандт Харменс ван Рейн. Ученый в своей студии (фрагмент). 1634
Обсуждая возникновение пандемии, ВОЗ сфокусировала внимание мировой общественности на необходимости найти промежуточное животное, через которое SARS-CoV-2 передался человеку. Это оказалось большой проблемой для современной науки.
В свою очередь, один из самых цитируемых биологов мира Евгений Кунин в интервью газете «Известия» заявил о странности со вставкой в геном коронавируса. Решение этих научных проблем, действительно, внесло бы ясность в вопрос о происхождении COVID-19. При этом понятно, что их решение не может быть только теоретическим, а должно иметь серьезные лабораторные подтверждения.
11 сентября 2020 года на новостном портале ведущего государственного научного учреждения Франции Национального центра научных исследований (CNRS) было опубликовано интервью ведущего ученого отделения архитектуры и функций биологических макромолекул в Университете Экс-Марселя (Франция) Этьена Декроли, в котором ответы на непростые вопросы даны с переднего края науки. Несколько месяцев с момента публикации интервью на английском не снизили актуальность материала.
Спустя почти год после того, как был выявлен коронавирус SARS-CoV-2, исследователям еще предстоит определить, как он «перепрыгнул через виды», чтобы заразить людей. Декроли обсуждает различные гипотезы, в том числе гипотезу о случайной утечке из лаборатории.
Этьен Декроли
Изображение: DR
CNRS News: В то время как исследователи спешат разработать жизнеспособные вакцины и методы лечения, почему так важно понимать генеалогию вируса, стоящего за пандемией Covid-19?
Этьен Декроли: После выявления SARS-CoV в 2002 году и MERS-CoV в 2012, SARS-CoV-2, который был быстро идентифицирован как вызывающий COVID-19, стал третьим человеческим коронавирусом, ответственным за тяжелый респираторный синдром, возникшим за последние 20 лет. Теперь мы хорошо знакомы с этим семейством вирусов, которые циркулируют в основном среди летучих мышей и зоонозный перенос которых иногда вызывает эпидемии среди людей. Поэтому крайне важно понять, как этот патоген преодолел видовой барьер и стал легко передаваться от человека к человеку. Важно изучить эволюционные механизмы и молекулярные процессы, вовлеченные в появление этого пандемического вируса, чтобы лучше предвидеть потенциальные вспышки этого типа и разработать терапевтические и вакцинные стратегии.
CNRS News: В первые недели пандемии, когда мы очень мало знали о вирусе, очень быстро возникло подозрение, что он животного происхождения. Почему ученые сразу предпочли эту возможность и подтверждена ли она с тех пор?
Э.Д.: Зоонозное происхождение коронавирусов, которые заражают около 500 видов летучих мышей, уже было хорошо задокументировано во время предыдущих вспышек. В природе разные популяции летучих мышей живут в одних и тех же пещерах, и разные вирусные штаммы могут заражать одно и то же животное одновременно. Эта ситуация способствует генетической рекомбинации между вирусами и их эволюции, позволяя некоторым штаммам развивать способность преодолевать видовой барьер.
Сравнение геномных последовательностей вирусных образцов от разных пациентов, инфицированных SARS-CoV-2, выявило уровень идентичности 99,98%. Это указывает на то, что штамм появился у людей совсем недавно. Вскоре также было обнаружено, что геном на 96% идентичен геному вируса, полученного в 2013 году из гуано (разложившегося помета) летучих мышей (RaTG13), последовательность генов которого стала известна лишь с марта 2020 года. Кроме того, один фрагмент этого генома, содержащий 370 нуклеотидов, оказался полностью идентичным другому, секвенированному в 2016 году из образцов, собранных в 2013 на шахте в китайской провинции Юньнань. На этой шахте три шахтера умерли от тяжелой пневмонии.
Анализы других известных коронавирусов человека показывают только 79% генетической идентичности между SARS-CoV-1 и SARS-CoV-2 и только 50% для MERS-CoV (Ближневосточный респираторный синдром). Проще говоря, SARS-CoV-2 генетически ближе к штаммам вирусов, которые ранее передавались только среди летучих мышей. Он не произошел от известных человеческих линий и только недавно приобрел способность покидать свой естественный животный резервуар, которым, скорее всего, являются летучие мыши.
Яванский панголин
CNRS News: Если установлено, что COVID-19 произошел от летучих мышей, почему до сих пор ведутся такие споры о его происхождении?
Э.Д.: Поскольку пока не было продемонстрировано ни одного случая эпидемии, вызванной прямой передачей вируса от летучей мыши к человеку, считается, что передача человеку, скорее всего, произошла через промежуточный вид хозяина, внутри которого вирус мог развиваться и переходить в формы, способные заразить клетки человека. Такой посредник обычно идентифицируется путем изучения филогенетических отношений между новым вирусом и вирусами, заражающими виды животных, живущих вблизи зоны вспышки. Этот метод позволил определить, что цивета (небольшое хищное млекопитающее), вероятно, была вторичным хозяином SARS-CoV в начале 2000-х годов, а верблюд-дромадер — MERS-CoV десятью годами позже. Открытие в геноме коронавируса, инфицирующего панголинов (млекопитающее, покрытое роговыми чешуями, родственник броненосцев и муравьедов), короткой генетической последовательности, кодирующей домен узнавания рецептора ACE-2, связанной с последовательностью, которая позволяет SARS-CoV-2 проникать в клетки человека, позволило впервые предположить, что возможный посредник обнаружен, но остальная часть его генома слишком отличается от SARS-CoV-2, чтобы панголин был прямым предком.
Таким образом, SARS-CoV-2 мог возникнуть в результате множественных рекомбинаций среди различных коронавирусов, циркулирующих у панголинов и летучих мышей, что привело к адаптации, которая делает возможной передачу человеку. В этом случае вторичной причиной пандемии COVID-19 мог быть контакт с промежуточным хозяином, возможно, с животным, проданным на рынке в Ухане. Однако эта гипотеза вызывает много вопросов. Прежде всего, география: образцы вируса у летучих мышей были собраны в Юньнани почти в 1500 км от Уханя, где началась пандемия.
Существует также экологическая проблема: летучие мыши и ящеры обитают в разных экосистемах, поэтому трудно представить, как их вирусы могли рекомбинировать. Что наиболее важно, степень идентичности между последовательностями SARS-CoV-2 и последовательностями ящеров достигает всего 90,3%, что намного ниже, чем то, что обычно наблюдается между штаммами, заражающими людей, и теми, которые заражают вторичных хозяев. Например, геномы SARS-CoV и штамма циветты, от которого он произошел, идентичны на 99%.
CNRS News: Не могли бы Вы рассказать нам больше о последовательности распознавания клеточного рецептора и механизме, который позволяет вирусу проникать в клетки?
Э.Д.: Это связано с биологическими характеристиками коронавирусов. Их геном содержит ген S, кодирующий белок-шип, который входит в состав оболочки и придает коронавирусу характерную форму «короны». Белок-шип играет фундаментальную роль в способности вируса инфицировать клетки, поскольку он содержит домен, называемый RBD, который обладает свойством специфически связываться с определенными рецепторами (ACE2) на поверхности инфицированных клеток. Именно установление этой связи позволяет патогену проникать в клетку. Сродство домена RBD к рецепторам ACE2 у данного вида является определяющим фактором способности вируса инфицировать этот вид. У людей этот рецептор широко экспрессируется и может быть обнаружен, например, на поверхности клеток легких и кишечника.
Анализ баз данных о коронавирусе позволил определить, что генетическая последовательность, кодирующая домен RBD SARS-CoV-2, очень близка к таковой у коронавируса, заражающего панголинов. Это наблюдение предполагает, что белок-шип CoV, заражающий этих животных, имеет сильное сродство к человеческому рецептору ACE2, что, возможно, позволило этому патогену проникать в клетки человека легче, чем вирусу летучих мышей. Однако по причинам, упомянутым выше, большинство исследователей теперь думают, что панголин, вероятно, не сыграл никакой роли в появлении SARS-CoV-2. Сегодня преобладающая гипотеза состоит в том, что это, скорее, конвергентная (когда возникает сходство между обитающими в сходных условиях) независимая эволюция домена RBD в обоих штаммах вируса.
CNRS News: Есть ли указания на других кандидатов на роль промежуточного хозяина?
Э.Д.: При зоонозах вторичные хозяева обычно встречаются среди домашнего скота или диких животных, которые вступают в контакт с человеческой популяцией. В этом случае, несмотря на исследования вирусов, обнаруженных у видов животных, продаваемых на рынке Уханя, до сих пор не было выделено никакого промежуточного вируса между RaTG13 и SARS-CoV-2. Пока такой не будет идентифицирован и его геном не секвенируют, вопрос о происхождении SARS-CoV-2 останется без ответа. Из-за отсутствия убедительных доказательств относительно последнего животного-посредника перед заражением человека некоторые источники предполагают, что вирус мог преодолеть видовой барьер после инцидента в лаборатории или даже быть искусственным.
Лешек Буйновский. Фото
CNRS News: Вы думаете, что SARS-CoV-2 вырвался из лаборатории?
Э.Д.: Эту гипотезу нельзя исключать, учитывая, что SARS-CoV, появившийся в 2003 году, вырывался из лабораторных экспериментов как минимум четырежды. Кроме того, коронавирусы были основной областью исследований в лабораториях рядом с зоной вспышки SARS-CoV-2, где исследователи, среди прочего, изучали механизмы преодоления видового барьера. Однако в настоящее время анализы, основанные на филогенезе полных геномов вируса, не дают четких выводов об эволюционном происхождении SARS-CoV-2.
Есть три основных сценария, объясняющих, как данный вирус приобрел свой эпидемический потенциал. В первую очередь это зооноз. COVID-19 вызван недавним нарушением видового барьера коронавирусом. В этом случае должен существовать другой вирус с большим сходством, чем у RaTG13, у домашних или сельскохозяйственных животных, но, как упоминалось ранее, такой штамм еще не обнаружен.
Второй сценарий заключается в том, что это может быть коронавирус, отличный от SARS-CoV или MERS-CoV, который адаптировался к людям несколько лет назад и распространялся относительно незаметно, пока недавняя мутация не обеспечила его более частую передачу от одного человека к другому. Чтобы подтвердить эту гипотезу, нам нужно будет проанализировать образцы вируса, которым заразились люди в зоне вспышки и умерли от атипичной пневмонии до того, как разразилась пандемия. Наконец, SARS-CoV-2, возможно, произошел от вируса летучих мышей, выделенного учеными, собирающими образцы, которые затем адаптировались к другим видам во время исследований на животных моделях в лаборатории, из которой он затем случайно вырвался.
CNRS News: Нет ли риска, что эта последняя гипотеза может поддержать теории заговора о пандемии COVID-19?
Э.Д.: Изучение происхождения SARS-CoV-2 — это научный процесс, который нельзя приравнивать к теории заговора. В то же время я хотел бы подчеркнуть тот факт, что до тех пор, пока не будет идентифицирован промежуточный хозяин, научное сообщество не может исключить возможность случайной утечки.
На сегодняшний день ни одно научное исследование не дало убедительных доказательств. Тем не менее факт остается фактом: чтобы прийти к заключению, необходим дальнейший анализ. Вопрос о естественном или синтетическом происхождении SARS-CoV-2 нельзя ставить в зависимость от политической повестки дня или коммуникационной стратегии. Он заслуживает изучения в свете имеющихся в нашем распоряжении научных данных.
Наши гипотезы также должны учитывать то, что вирусологические лаборатории способны делать на современном этапе, и тот факт, что манипуляции с потенциально патогенными вирусными геномами являются обычной практикой в некоторых лабораториях, в частности, для изучения того, как вирусы преодолевают видовой барьер.
CNRS News: Многие веб-сайты, муссирующие теории заговора, повторяют утверждения Люка Монтанье (нобелевского лауреата, открывшего вирус, вызывающий ВИЧ, — прим. ИА Красная Весна), который объяснил, что SARS-CoV-2 — это «вирус-химера», созданный в китайской лаборатории, помесь коронавируса и ВИЧ. Это серьезная теория?
Э.Д.: Во всяком случае, ее уже не воспринимают всерьез специалисты, опровергающие его основные выводы. Тем не менее она основана на очень серьезном наблюдении, которое важно для понимания механизма заражения SARS-CoV-2: было обнаружено, что ген, кодирующий белок-шип, содержит четыре вставки коротких последовательностей, которые не встречаются в большинстве генетически похожих коронавирусов человека. Эти вставки, вероятно, придают белку-шипу SARS-CoV-2 исключительные свойства. Структурные исследования показывают, что первые три вставки расположены на открытых участках белка S и, таким образом, вероятно, играют роль в том, как вирус уклоняется от иммунной системы хозяина.
Четвертая вставка, более поздняя, образует участок, чувствительный к фуринам — ферментам-протеазам, продуцируемым клетками-хозяевами. Теперь ясно продемонстрировано, что расщепление фурином белка-шипа вызывает конформационное (пространственное) изменение, которое способствует распознаванию клеточного рецептора ACE2. Исследователи, изучающие происхождение этих вставок, сообщили в предварительной публикации, что эти последовательности белка-шипа SARS-CoV-2 обнаруживают тревожное сходство с последовательностями фрагментов вируса ВИЧ-1. Статья, подвергшаяся резкой критике за методологические недостатки и ошибки интерпретации, была удалена с сайта bioRxiv.
Этот постулат остался бы несущественным, если бы его не возродил Люк Монтанье, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине за его работу по ВИЧ. В апреле 2020 года он заявил, что эти вставки произошли не в результате естественной рекомбинации и не случайно, а в результате преднамеренных манипуляций с генами, вероятно, в ходе исследований по разработке вакцин против ВИЧ. Эти утверждения были снова опровергнуты биостатистическим анализом, который показал, что сходные последовательности в ВИЧ и SARS-CoV-2 слишком короткие (от 10 до 20 нуклеотидов из 30 000 для генома) и что сходство, скорее всего, является случайным.
Между тем, столкнувшись с трудностями в понимании происхождения этого патогена, мы провели филогенетический анализ в сотрудничестве с биоинформатиками и филогенетиками. Их результаты показывают, что три из четырех вставок, наблюдаемых в SARS-CoV-2, могут быть обнаружены в более старых штаммах коронавируса. Наше исследование ясно показывает, что эти последовательности появились независимо, в разное время в эволюционной истории вируса. Эти данные опровергают гипотезу о недавнем и преднамеренном лабораторном введении этих трех последовательностей.
Остается четвертая вставка, которая образует участок, ответственный за расщепление фуриновой протеазы в SARS-CoV-2, не обнаруженный в других вирусах семейства SARS-CoV. Следовательно, нельзя исключать возможность того, что эта вставка является результатом экспериментов, направленных на то, чтобы позволить животному вирусу перейти от этого вида к человеку, поскольку хорошо известно, что этот тип вставки играет ключевую роль в распространении многих патогенов у людей.
Коронавирус ближневосточного респираторного синдрома (MERS-CoV)
CNRS News: Как мы можем узнать наверняка?
Э.Д.: Геном SARS-CoV-2 — это комбинаторная загадка, и механизмы рекомбинации вирусов животных, которые привели к его появлению, остаются тайной. Чтобы понять его происхождение, необходимо собрать гораздо больше образцов от диких и домашних видов животных. Возможное открытие болезней животных, очень похожих на болезнь, вызываемую SARS-CoV-2, могло бы стать ключевым элементом для подтверждения его естественного происхождения. Кроме того, более глубокий биоинформационный анализ сможет выявить возможные следы генетических манипуляций, которые, наоборот, предполагают экспериментальное происхождение.
В любом случае, является вирус естественным или нет, сам факт того, что этот вопрос теперь может быть серьезно рассмотрен, требует критического обзора инструментов реконструкции и методов, используемых в сегодняшних исследовательских лабораториях, и их потенциального использования в экспериментах по «усилению функции».
CNRS News: Но разве это не единственные инструменты, которые могут помочь нам понять эти вирусы и вызываемые ими эпидемии и бороться с ними?
Э.Д.: Действительно, но мы должны понимать, что парадигмы исследований вирусов радикально изменились за последние годы. Сегодня любая лаборатория может получить или синтезировать последовательность гена. Менее чем за месяц можно создать функциональный вирус с нуля, используя последовательности, имеющиеся в базах данных. Кроме того, были разработаны инструменты для манипуляции генами, которые являются быстрыми, простыми в использовании и недорогими. Они обеспечивают впечатляющий прогресс, но в то же время увеличивают риск и возможные последствия инцидентов, в частности, в экспериментах по усилению функциональности вирусов с пандемическим потенциалом.
Даже если в конечном итоге окажется, что эпидемия COVID-19 является результатом «классического» зооноза, в последние годы были задокументированы случаи утечки патогенов из лабораторий. Один из наиболее известных случаев — вызванная вирусом Марбург болезнь, которая возникла в результате заражения от диких обезьян. Другой пример — пандемия гриппа 1977 года. Недавние генетические исследования показывают, что она была вызвана утечкой из лаборатории штамма вируса, собранного в 1950-х годах. Совсем недавно в литературе сообщалось о нескольких таких случайных утечках при исследованиях SARS-CoV. К счастью, ни одна из них не вызвала серьезной эпидемии.
Международные стандарты требуют, чтобы любые исследования, изоляция или культивирование потенциально пандемических вирусов, в том числе респираторных, проводились в безопасных экспериментальных условиях с безупречным контролем, чтобы предотвратить любую передачу зоонозов. Однако несчастные случаи могут произойти всегда. Важно учитывать потенциальный риск таких экспериментов, особенно если они нацелены на усиление функции или инфекционности.
CNRS News: Вам импонирует мораторий или запрет на подобные исследования?
Э.Д.: Я не сторонник прямого запрета. Дело не в том, чтобы «стерилизовать» исследования, а в более тщательном изучении соотношения пользы и риска. Возможно, следует организовать конференцию, чтобы оценить необходимость моратория или более подходящего международного регулирования.
Принимая во внимание риски заражения, связанные с методами, используемыми в исследованиях вирусов сегодня, гражданское общество и научное сообщество должны немедленно пересмотреть практику экспериментов по усилению функциональности и искусственной адаптации вирусных штаммов в промежуточных животных-хозяевах. В 2015 году, осознавая эту проблему, федеральные агентства в США заморозили финансирование всех новых исследований, включающих этот тип экспериментов. Мораторий закончился в 2017 году. На мой взгляд, эту рискованную практику следует пересмотреть и проконтролировать со стороны международных комитетов по этике.
Наконец, исследователи в этих областях также должны быть более ответственными всякий раз, когда они осознают возможную опасность, связанную с их работой. Часто существуют альтернативные экспериментальные стратегии, которые помогут достичь той же цели при значительном снижении рисков.
CNRS News: Разве эти стратегии еще не использовались?
Э.Д.: Теоретически, да. На самом деле, мы часто не достигаем цели особенно потому, что мы, ученые, не получаем достаточной подготовки по этим вопросам. И потому, что атмосфера конкуренции, царящая в мире исследований, поощряет быстрые, безумные эксперименты, которые, на самом деле, не принимают во внимание этические вопросы и не взвешивают потенциальные риски проекта.
В магистерской программе, которую я преподаю по вирусной инженерии, я в течение десяти лет давал теоретическое упражнение, которое состоит в представлении процесса, который дал бы ВИЧ способность инфицировать любую клетку в организме (а не только лимфоциты). Хотя большинство студентов могут придумать эффективный метод создания потенциально опасного химерного вируса, они сосредотачиваются исключительно на эффективности этого метода, никогда не уделяя внимания возможным последствиям его применения.
Моя цель здесь, как учителя, — рассказать им о проблемах и показать им, что во многих случаях можно создать экспериментальные системы, которые столь же эффективны, но предлагают лучший контроль над биологическими рисками. С самого начала образовательного процесса нам необходимо обучать будущих биологов всегда оценивать риск и социальную значимость своих исследований, какими бы инновационными они ни были.
Этьен Декроли — ведущий ученый Национального центра научных исследований во Франции (Centre national de la recherche scientifique) в лаборатории архитектуры и функции биологических макромолекул (Le laboratoire Architecture et Fonction des Macromolécules Biologiques) и член Французского общества вирусологии. Французский Национальный центр научных исследований — аналог Академии наук в России.
Университет Экс-Марсель основан в 1409 году графом Прованса. Это крупнейший во франкоговорящих странах академический институт (80 тыс. студентов, в том числе 10 тыс. иностранных из 128 стран) с самым большим бюджетом (€750 млн). Среди выпускников университета — три лауреата Нобелевской премии, один дважды лауреат Пулитцеровской премии, четыре лауреата премии Сезара, многочисленные члены Национального центра научных исследований во Франции, спикеры парламента, главы правительств.