هنگامی که COVID-19 در سراسر جهان گسترش یافت ، دیوید مونتفیوری از خود پرسید که چگونه ویروس کشنده عامل این همه گیری می تواند با انتقال از فردی به فرد دیگر تغییر کند. مونتفیوری یک ویروس شناس است که بیشتر مطالعات خود را صرف بررسی نحوه جهش های تصادفی در HIV برای فرار از سیستم ایمنی بدن کرده است ، همان چیزی که او فکر کرد ممکن است در مورد SARS-CoV-2 اتفاق بیفتد.در ماه مارس ، مونتفیوری ، که سرپرستی یک آزمایشگاه تحقیقاتی واکسن ایدز در دانشگاه دوک را برعهده داشت، با کوربر ، متخصص در تکامل HIV و یک همکار قدیمی تماس گرفت. ، کوربر که یک زیست شناس محاسباتی است، شروع به ثبت هزاران توالی ژنتیکی کروناویروس برای جهش هایی که در طی مسیر خود ممکن است ویژگی های ویروس را تغییر داده باشند کرد.در مقایسه با HIV، ویروس کووید در حال انتشار با سرعت کمتری تغییر می کند. اما یک جهش نظر کوربر را به خود جلب کرد. .ژن کد کننده پروتئین اسپایک ، که به ویروس ها برای نفوذ به سلول ها کمک می کند. کوربر مشاهده کرد که این جهش بارها و بارها در نمونه هایی از افراد مبتلا به COVID-19 ظاهر می شود.در موقعیت اسید آمینه614 پروتئین اسپایک ، اسید آمینه آسپارتات (D ، به اختصار بیوشیمیایی) به طور مرتب توسط گلیسین (G) به دلیل خطای کپی که یک نوکلئوتید واحد در RNA 29903 جایگزین می شد. ویروس شناسان آن را جهش D614G می نامند. در ماه آپریل ، کوربر ، مونتفیوری و دیگران در پیش نویسی هشدار دادند که " D614G در حال افزایش با نرخ هشداردهنده ای است". این جهش به سرعت تبدیل به شجره غالب SARS-CoV-2 در اروپا و سپس در ایالات متحده ، کانادا و استرالیا شده بود. این روزنامه اعلام کرد D614G "شکل قابل انتقالتر SARS-CoV-2" را ارائه داده ، که به نظر می رسید محصول فرایند انتخاب طبیعی باشد.این اظهارات بسیاری از دانشمندان را نگران کرد.آنها گفتند مشخص نبود که D614G قابل انتقال تر بود و یا افزایش آن نشان دهنده چیزی غیر معمول است . اما زنگ خطر به سرعت در رسانه ها منتشر شد. هر چند داستان های خبری شامل مواردی از هشدارهای محققان بود، برخی عناوین خبری اعلام کردند که ویروس جهش یافته خطرناک تر می شود.
با نگاهی به گذشته، مونتفیوری می گوید که او و همکارانش از اینکه افزایش انواع را "نگران کننده" توصیف کردند پشیمان هستند.این کلمه در نسخه مقاله چاپ شده در نشریه Cell که در ماه جولای منتشر شد حذف شد. این کار علاقه جنون برانگیز زیادی به D614G برانگیخت. حتی کسانی که شک داشتند که جهش ویژگی های ویروس را تغییر داده باشد، موافق بودند که D614G به علت رشد سریع همه گیر بسیار جذاب است. برای ماهها، این جهش تقریبا در تمام نمونه های توالی SARS-CoV-2 یافته شد . "این نوع در حال حاضر همه گیر است. در نتیجه ، خواص آن اهمیت دارد. "تا اینجا ، نتیجه این کار از آنچه در پیش نویس مونتفیوری و کوربرا پیشنهاد کردند، کمتر مشخص است. برخی آزمایشات نشان می دهد که ویروس های حامل این نوع جهش سلول ها را راحت تر آلوده می کنند. اما بسیاری از دانشمندان می گویند هنوز هیچ دلیل محکمی برای اثبات آن که D614G تأثیر بسزایی در گسترش بیماری دارد و یا اینکه فرایند انتخاب طبیعی ظهور آن را توضیح دهد ، وجود ندارد.محققان هنوز بیشتر پرسش هایی دارند تا پاسخ در مورد جهش های کروناویروس ، و هنوز کسی تغییری در کووید پیدا نکرده است که باید نگرانی های سلامت عمومی را افزایش دهد. اما مطالعه دقیق جهش ها می تواند برای کنترل همه گیری مهم باشد. همچنین ممکن است در محدود کردن جهش های نگران کننده تر ، آنهایی که به فرار ویروس از سیستم ایمنی، واکسن ها و یا آنتی بادی تراپی کمک می کنند، موثر باشد.
بلافاصله پس از شناسایی SARS-CoV-2 در چین، محققان تجزیه و تحلیل نمونه های ویروسی وارسال کدهای ژنتیکی به صورت آنلاین را آغاز کردند. با استفاده از جهش ها -اکثر آنها تغییرات تک نوکلئیدی بین ویروس های افراد مختلف - محققان می توانند با ربط دادن ویروس های نزدیک به هم برای تخمین زمانی که SARS-CoV-2 آغاز به آلوده کردن انسان کرده را پیگیری کنند.ویروس هایی که ژنوم خود را در RNA رمزگذاری می کنند ، مانند SARS-CoV-2 ، HIV و آنفولانزا ، تمایل دارند وقتی داخل میزبان خود حرکت می کنند، جهش کنند. زیرا آنزیم های کپی کننده RNA مستعد خطا هستند. به عنوان مثال بعد از سندرم تنفسی حاد (SARS) ، ویروس در انسان شروع به گردش کرد ، نوعی جهش به نام حذف را ایجاد کرد که ممکن است گسترش آن را کند کرده باشد. اما توالی داده ها نشان می دهد که ویروس کرونا کندتر از اغلب RNA ویروس های دیگر تغییر می کند که احتمالاً به دلیل یک آنزیم "تصحیح کننده"است ، آنزیمی که کپی اشتباه و بالقوه کشنده را تصحیح می کند.
در پایان ماه ژوئن ، جهش D614G تقریباً در تمام نمونه های SARS-CoV-2 در سراسر جهان پیدا شد.
یک ویروس معمولی SARS-CoV-2 در هر ماه تنها دو جهش تک حرفی را در ژنوم خود جمع میکند ( این میزان تغییر نصف میزان جهش در آنفلوآنزا و یک چهارم HIV است.سایر داده های ژنوم این ثبات را تأکید کرده اند - بیش از 90،000 نمونه جدا شده توالی یابی شده و عمومی شده است . متخصصین ژنتیک محاسباتی در دانشگاه کالج لندن ، که در حال پیگیری تغییراتی که مزیت تکاملی ایجاد میکنند هستند، می گویند: دو ویروس SARS-CoV-2 جمع آوری شده از هر دو نقطه در جهان متفاوت هستند به طور متوسط فقط 10 حرف RNA از 29903 . اما دانشمندان جهش هارا پیش از آنکه بتوانند به آن معنا دهند شناسایی می کنند. جهش های زیادی رخ می دهند که هیچ اثری بر توانایی انتشار و بیماری زایی ویروس ها ندارند، به این دلیل که این جهش ها شکل پروتئین هارا تغییر نمی دهند، در حالی که جهش هایی که پروتئین هارا تغییر می دهند، به نظر می رسد که بیشتر به ویروس آسیب میزنند تا آن را بهبود بخشند. بسیاری از محققان گمان می کنند که اگر جهشی رخ دهد که احتمالا به انتشار سریعتر ویروس کمک کند ، زودتر اتفاق می افتد ، هنگامی که ویروس برای اولین بار جهش کرده و وارد بدن انسان شده یا توانایی حرکت را به طور موثر از فردی به فرد دیگر کسب کرده است. در یک زمانی که تقریباً همه کره زمین مستعد هستند ، احتمالاً فشار تکاملی کمی روی ویروس برای انتشار بهتر وجود دارد ، بنابراین حتی جهش هایی که به صورت بالقوه مفید هستند، شکوفا نخواهند شد .
- آیا سریع تر گسترش می یابد؟
هنگامی که کوربر شاهد گسترش سریع D614G بود ، فکر کرد که ممکن است نمونه ای از انتخاب طبیعی معنی دار پیدا کرده باشد. جهش به دلیل موقعیتش در پروتئین اسپایک ، که یک هدف اصلی برای آنتی بادی های "خنثی کننده" که به ویروس متصل می شوند و آن را غیر عفونی می کنند، و ویروس هایی که در بیش از یک نقطه از جهان در حال شیوع بودند، نظر او را جلب کرد. D614G اولین بار در ویروس های جمع آوری شده در چین و آلمان در اواخر ژانویه مشاهده شد؛ اکثر دانشمندان گمان می کنند این جهش در چین رخ داده است. در حال حاضر تقریباً همیشه با سه مورد جهش در سایر قسمت های ژنوم SARS-CoV-2 همراه است . شاهد این احتمال که اکثر D614G ویروس ها یک جد مشترک دارند.
افزایش سریع D614G در اروپا باعث توجه کوربرا شد. قبل از مارس - زمانی که بسیاری از قاره ها در قرنطینه قرار گرفت - هر دو ویروس جهش نیافته D و جهش یافته G وجود داشتند. در نمونه های ژنتیکی آن زمان ، در کشور های اروپای غربی بیشتر ویروس های D در اکثر موارد شایع شده بود .در ماه مارس ، ویروس های G در سراسر قاره افزایش یافت و به گفته کوربر ، در ماه آوریل غالب بود . اما اینکه فرایند انتخاب طبیعی به نفع ویروس های G است، تنها یا حتی محتمل ترین توضیح برای این الگو نیست.تسلط نوع G در اروپا می تواند تصادفی باشد. حتی اگر جهشی در اروپا نوع شایع تر عامل بیماری باشد. به نظر می رسد که انواع اندکی از گونه ها مسئول گسترش ویروس هستند ، شانس اولیه ای که به نفع گسترش نوع G می شود. این نوع اثر بنیانگذار، در ویروس ها شایع است ، به خصوص وقتی که ویروس مثل SARS-CoV-2 به صورت کنترل نشده تا اواسط و انتهای ماه مارس در سراسر اروپا منتشر شد. کوربر و همکارانش سعی کردند این ادعا را رد کنند.
- عجله در مطالعات آزمایشگاهی
برای بررسی بیشتر اینکه آیا D614G باعث انتقال پذیری بیشتر ویروس شده است یا نه ، مونتفیوری اثرات آن را در شرایط ازمایشگاهی آزمایش کرد. او نتوانست ویروس طبیعی را به دلیل شرایط ضروری برای جلوگیری از آلودگی زیستی مطالعه کند. بنابراین او یک فرم تغییر ژنتیکی یافته ی ویروس HIV را که از پروتئین های اسپایک SARS-CoV-2 برای انتقال و ایجاد عفونت، استفاده می کند. چنین ذرات " شبه ویروس " ابزار آزمایشگاه های ویروس شناسی هستند: آنها امکان مطالعه ایمن عوامل بیماری زای کشنده مثل ابولا را فراهم می کنند و آزمایش برروی جهش ها را ممکن می کنند.
نتایج مطالعات چندین تیم آزمایشگاهی بر روی شبه ویروس ها نتایج مشابهی را حاصل آورد: ویروس های حامل جهش G سلول هارا بسیار کارامد تر ، در برخی موارد تا 10 برابر کارآمد تر از ویروس های حامل جهش D، عفونی می کنند. شبه ویروس ها فقط حامل اسپایک ویروس مورد نظرهستند، بنابراین، مطالعات مختلف تنها توانایی ویروس ها در ورود به سلول میزبان و نه اثر آن ویروس درون سلول را بررسی می کنند. این شبه ویروس ها ، سه جهش دیگر همراه D614G ها را ندارند. و در نهایت اینکه آنها ویروس طبیعی نیستند. برخی از آزمایشگاه ها در حال حاضر با ویروس های SARS-CoV-2 عفونی کار می کنند که فقط در یک مورد آمینو اسید متفاوت هستند . اینها در کشتهای آزمایشگاهی سلولهای ریه و راههای هوایی انسان و در حیواناتی مانند همستر آزمایش می شوند.
یافته ها نشان داد که ویروس جهش یافته نسبت به فرم D در سلول های ریه انسان بیماری زاتر بوده و گونه جهش یافته در بخش های فوقانی سیستم تنفسی همستر در سطوح بالاتری وجود داشت. حتی چنین آزمایشهایی موضوع را به خوبی روشن نمی کند.برخی مطالعات نشان می دهد که جهش های خاصی در پروتئین اسپایک در ویروس تنفسی خاورمیانه (MERS) میتواند باعث بیماری شدیدتری در موش ها شود، در حالی که جهش های دیگر در پروتئین اثر خیلی کمی بر انسان و یا شتر ها دارد.
روشن ترین نشانهD614G بر گسترش کووید-19در انسانها ناشی از تلاش بلند پروازانه بریتانیا به نام کنسرسیوم COVID-19 Genomics UK ، که ژنوم حدود 25000 نمونه ویروسی را تجزیه و تحلیل کرده است.از این داده ها ، محققان بیش از 1300 مورد را شناسایی کردند که در آن شامل نمونه هایی از ویروس های نوع D و G یک ویروس وارد انگلستان شده و گسترش یافته است. یک گروه تحقیقاتی گسترش 62 شاخه COVID-19 ، با منشا D و 245 شاخه توسط ویروس های G را مورد مطالعه قرار دادند. محققان هیچ تفاوت بالینی در افراد آلوده به هر دو نوع ویروس نیافتند. با این حال، ویروس های G کمی سریعتر منتقل می شوند نسبت به تبارهایی که جهش را به همراه نداشتند . برآورد آنها از تفاوت در نرخ انتقال در حدود 20 درصد می تواند باشد، اما به طور قطعی اثر بزرگی وجود ندارد.
ممکن است D614G یک تغییر تطابقی ویروس برای آلوده کردن سلول ها و یا رقابت با ویروس هایی که جهش را ندارند، باشد. در حالی که چگونگی انتشار کووید در میان مردم و یا انتشار در یک جمعیت را بسیار کم تغییر می دهد. برخی دانشمندان فکر میکنند که D614G به دلیل مقالات پرمخاطبی که دارد ، بیش از حد توجه به خود جلب کرده است. این جهش راهی برای شناخت بیشتر ویروس است ، اما در عرصه ی تنوع ژنتیکی حرفی زیادی برای گفتن ندارد. پژوهشگرانی که به مطالعه فشرده در این زمینه علاقمندند ، باید به توضیح این مسئله که ویروس SARS-Covid-2 چگونه به غشای سلولی متصل می شوند، فرایندی که ممکن است توسط دارو ها مهار شود و یا هدف یک واکسن قرار بگیرد. در نسخه به روز شده آزمایش های شبه ویروس ، یک گروه تحقیقاتی از میکروسکوپ کرایو الکترونی برای تجزیه و تحلیل ساختار پروتئین اسپایک در ویروس حامل تغییر D614G استفاده کردند. پروتئین اسپایک از سه پپتید یکسان در دو جهتگیری "باز" و یا "بسته" تشکیل شده است. مطالعات پیشین نشان می داد برای اینکه ویروس با غشای سلول فیوز شود، باید حداقل دو پپتید از سه پپتید به فرم باز باشند. بر اساس تحقیقات مشخص شد که ویروس های حامل نوع اسپایک G هستند، به احتمال زیاد در این حالت بودند (نگاه کنید به"جهشی که پروتئین اسپایک را شل می کند"). از کار مدل سازی محاسباتی توسط مونتفیوری و کوربر نیز همین نتیجه حاصل شد. به نظر می رسد که این فرم G به گونه ای برتری یافته که فرم D نیست.
شکل : جهشي كه پروتئين اسپایک را باز می کند
پروتئین های اسپایک در SARS-CoV-2 به گیرنده های سلول های انسانی متصل می شوند و به ورود ویروس به داخل سلول کمک می کنند. پروتئین اسپایک از سه پپتید کوچکتر با جهتگیری "باز" یا " بسته" ساخته شده است. وقتی بیشتر این جهتگیری ها باز هستند، پروتئین راحتترین متصل می شود. جهش 614G ( جهش نقطه ای در RNA ویروس) ، به نظر می رسد که پیوند های بین پپتید هارا آزاد می کند. این حالت احتمال ترکیب باز را زیاد می کند و شانس ابتلا را افزایش می دهد.
- هنوز هیچ راه فراری از آنتی بادی ها وجود ندارد
بیشتر شواهد موجود نشان می دهد که D614G آن گونه که مونتفیوری نگران بود آنتی بادی های خنثی کننده سیستم ایمنی را متوقف نمی کند. ممکن است به این دلیل باشد که این جهش در بخش اتصال گیرنده پروتئین اسپایک (RBD) نباشد ، منطقه ای که هدف بسیاری از آنتی بادی های خنثی کننده است. بخش RBD به پروتئین گیرنده سلولی متصل میگردد. که این مرحله برای ورود ویروس به سلول مرحله ای کلیدی است . اما شواهدی در دست است که نشان می دهد جهش های دیگر می تواند به ویروس در فرار از برخی آنتی بادی ها کمک کند.دانشمندان دیگر سعی می کنند با پیش بینی اینکه کدام جهش ها به احتمال زیاد مهم هستند، تکامل SARS-CoV-2 را پیش بینی کنند. یک تیم تحقیقاتی نزدیک به 4000 نسخه جهش یافته از RBD پروتئین اسپایک ، و نحوه تأثیر تغییرات بر بیان پروتئین اسپایک را اندازه گیری کرد. اکثر جهش ها تاثیری بر این خواص نداشتند یا مانع آن شدند ، اگرچه تعداد انگشت شماری از آنها این خاصیت را بهبود بخشیدند.
برخی از این جهش ها در افراد مبتلا به COVID-19 شناسایی شده است، اما هیچ نشانه ای از انتخاب طبیعی برای هر یک از انواع پیدا نکردند. احتمالا در حال حاضر ویروس به اندازه مورد نیاز خود به جایگاه اتصال پروتئین اسپایک متصل می شود . این اتفاق یک احتمال است ، اما قطعی نیست که یک ویروس ویژگی به دست بیاورد که حساسیت آنتی بادی و سیستم ایمنی را کاهش دهد.مطالعه برروی ویروس های کروناویروس سرماخوردگی معمول ، نمونه گیری شده در سراسر چندین فصل ، نشانه هایی از تکامل ویروس در پاسخ به سیستم ایمنی را شناسایی کردند اما سرعت تغییرات کند است. ویروس شناسان می گویند که سویه های ویروس کم و بیش همچنان ثابت باقی می مانند. در حالی که اکثر جهان هنوز مستعد SARS-CoV-2 هستند ، بعید است که ایمنی فاکتور مهم در تکامل ویروس باشد .مصونیت عمومی از طریق ابتلا و یا واکسیناسیون افزایش می یابد، دانشمندان می گویند که جهش پایداری که به ویروس در فرار از سیستم ایمنی کمک میکند، می تواند به SARS-CoV-2 کمک کند تا به طور دائمی خود را تثبیت کند و اغلب با علائمی خفیف در افراد مبتلا خود را نشان می دهد. همچنین این احتمال وجود دارد که به علت اینکه پاسخ های ایمنی به ویروس کووید، آنقدر قوی و طولانی مدت نیست تا فشاری جهت دار به سویه ویروسی وارد کند.
اگر آنتی بادی تراپی به صورت هوشمندانه به کاربرده نشود، جهش های نگران کننده می توانند رخ دهند. به عنوان مثال اگر جمعیت با یک نوع آنتی بادی درمان شوند، یک جهش در ویروس موجب خنتی شدن اثر آنتی بادی می گردد.محققان می گویند که مجموعه ای از ویروس های مونوکلونال که هریک بخش متفاوتی از اسپایک آنتی بادی را شناسایی می کنند، برای جلوگیری از گسترش جهش های ویروس مناسب است. واکسن ها نگرانی کمتری ایجاد می کنند، چراکه با تحریک سیستم ایمنی بدن گستره ی وسیعی از آنتی بادی های مختلف را ایجاد می کنند.
تیم مونتفیوری در یک مطالعه منتشر شده دریافتند که جهش ها حتی می توانند ویروس را به هدف آسان تری برای واکسن ها تبدیل کنند. موش ها، میمون ها و انسانهایی که یکی از واکسن های حاوی RNA را دریافت کرده اند،آنتی بادی هایی ساخته اند که قابلیت بیشتری در مسدود کردن ویروس نوع G دارند ، در حالی که ویروس های G در همه جا شایع است ، این خبر خوب است. اما دانشمندان با ردیابی جهش های ویروس کرونا ،چشم خود را برای تغییرات بیشتر این ویروس باز نگه داشته اند. "
منبع: https://media.nature.com/original/magazine-assets