Flu Evolution: Hvordan forskere bruker genomsekvensering til å prognose fremtiden

Evolusjon er vanligvis veldig sakte, en forandringsprosess som tar tusenvis eller millioner av år å se.

Men for influensa er evolusjonen rask - og dødelig. Influensavirus endres raskt for å unnslippe kroppens forsvar. Hvert par år oppstår nye varianter av influensa og forårsaker epidemier rundt om i verden.

Kontrollere spredningen av influensa betyr å håndtere denne pågående evolusjonen. Hvert år må eksperter fra Verdens helseorganisasjon (WHO) gjøre sitt beste gjetning om hvordan viruset vil forandres for å velge hvilke influensastammer som skal inkluderes i den årlige vaksinen.

Dette arbeidet er vanskelig og usikkert, og feil har reelle konsekvenser. I hele verden smittes influensa flere millioner mennesker hvert år og forårsaker hundretusener av dødsfall. I år når spådommer savner merket og influensa-skuddet er svært forskjellig fra sirkulerende stammer, er flere personer utsatt for infeksjon.

I løpet av de siste årene har fremskritt i genom-sekvensering begynt å kaste lys på begynnelsen av viral evolusjon, dypt innenfor individuelle infeksjoner. Vi lurte på om denne informasjonen for influensa kan gi oss et tidlig innblikk i fremtidens globale evolusjonære trender.

Hva kan en infeksjonsinfeksjon for en person fortell oss om hvordan viruset endres over hele verden? Som det viser seg, en overraskende mengde.

Ser dypt inne i en infeksjon

Hvert trinn i influensaens utvikling begynner med en feil. Som virus kopierer seg i en infisert person, muterer de noen ganger, og skaper små endringer i deres genetiske blåkopi.

De fleste mutasjoner er skadelige for viruset fordi de bryter maskinene den trenger for å fungere. Men så ofte overlever et mutantvirus, og til og med trives. Virus spiller et konstant spill av katt-og-mus med det menneskelige immunsystemet. Noen ganger kan et mutantvirus være akkurat forskjellig nok til å unnslippe kroppens varsel.

Et mutantvirus med denne typen fordel kan multiplisere raskt og komme til å dominere infeksjonen. Til slutt kan det til og med spres fra person til person, og derfra begynner å spre seg rundt om i verden.

Nylig har det blitt lettere å spore hvordan virus forandrer seg i menneskekroppen. De samme fremskrittene som har gjort det billig og lett å sekvensere menneskelige genomer, skifter hvordan vi studerer virus. For kostnaden for å sekvensere et enkelt menneskelig genom, kan vi sekvensere tusenvis av virus fra hele infeksjonen for å spore nye mutasjoner etter hvert som de oppstår.

Disse mutasjonene kan vise oss hvordan viruset reagerer på utfordrende miljøer i menneskekroppen. For HIV, hvor infeksjoner ofte i år eller til og med tiår, kan evolusjonen være betydelig, selv innenfor en enkelt person. Spesielt utvikler virus ofte stoffresistens som svar på antiviral behandling.

Spore Flu Evolution i 4 lange infeksjoner

Vi har nylig sporet viral utvikling i fire kreftpasienter som hadde influensainfeksjoner som varer flere måneder. De fleste influensainfeksjoner varer ca. en uke, noe som begrenser mengden endring som kan oppstå. Men hos pasienter med svake immunsystemer, kan infeksjoner vare lenge, med alvorlige effekter.

Hvordan endret influensa innenfor disse lange infeksjonene? Ved å sekvensere virus fra forskjellige tider under infeksjonen og sammenligne deres genomene, var vi i stand til å identifisere nye mutasjoner og spore deres skjebner.

Evolusjon handlet om noen uker. Et klart eksempel var motstand mot Tamiflu. Pasientene vi studerte, tok stoffet for å kontrollere infeksjoner. Men, som i tidligere studier, oppsto virus som bærer stoffresistansmutasjoner, til slutt. Disse mutasjonene kan delvis forklare hvorfor infeksjonene varede så lenge.

Narkotika-resistensmutasjoner var ikke de eneste evolusjonære endringene vi så. Et halvt dusin mutantvirus, som bare er litt forskjellig fra hverandre, vil noen ganger konkurrere samtidig i en enkelt person.

Disse konkurrerende virusene gjorde evolusjonen en komplisert affære. En mutasjon som begynte å spre seg en uke, kunne noen ganger gå ut av det neste. Formentlig ble det outcompeted av en enda bedre mutasjon.

I noen tilfeller fant vi nøyaktig samme mutasjoner i virus fra forskjellige pasienter i studien vår, selv om vi kunne fortelle at pasientene ikke infiserte hverandre. Vi ville bare svært sjelden forvente at slike likheter skulle skje på grunn av en tilfeldighet. Virusene kan ha slått på lignende tilpasninger som svar på evolusjonære utfordringer. Noen av disse mutasjonene kan ha hjulpet viruset med å unngå immunforsvaret, ekko andre studier.

Forutsi fremtiden

Dessuten matchet mange mutasjoner innenfor disse pasientene mutasjoner som senere spredte seg over hele verden. I piggene av influensa ytre kappe, som hjelper viruset inn i vertsceller, oppsto mutasjonen N225D i tre av de fire pasientene i vår studie. Innen 2015, ca. 8 år etter at våre pasienter ble infisert, hadde de fleste influensavirus rundt om i verden den samme forandringen.

For oss var dette uventet. Evolusjonen er full av trade-offs, og noen mutasjoner som hjelper influensa tilpasning hos mennesker, kan senke overføringen fra person til person. Vi visste heller ikke om evolusjonen i slike uvanlig lange influensainfeksjoner ville samsvare mønstre for endring rundt om i verden.

Men i vår studie viste influensavolusjonen hos enkelte mennesker slående likheter med evolusjonen rundt om i verden. Vi kunne se hint om noen globale evolusjonære trender innen bare noen få individer.

Som teknologiene fortsetter å forbedre, blir det lettere å se dypt inne i influensainfeksjoner, som vi gjorde. WHO labs sekvens influensa stammer fra tusenvis av mennesker hvert år for å overvåke influensa evolusjon. Forskere sekvenserer flere og flere stammer på måter som lar oss få mutasjoner som de først oppstår i enkelte mennesker.

Hver av disse tusenvis av infeksjoner er som et eget evolusjonerende eksperiment. Ved å sammenligne mutasjoner som forekommer i forskjellige infeksjoner, kan vi få en følelse av evolusjonære muligheter og begrensninger.

Et eller annet sted nedover linjen, kan denne typen informasjon bidra til å prognose influensaens utvikling. For nå er det i det minste avdekket noen av de dynamiske utviklingsprosessene som foregår i hver av oss.

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation av Katherine Xue og Jesse Bloom. Les den opprinnelige artikkelen her.