Истоки распространения дельта-штамма в России: неведомый источник и воля случая

Пабы, рестораны и другие переполненные помещения — основной источник «событий суперраспространения», когда один больной передает вирус большому количеству людей. Фото © Aaron Lavinsky / Star Tribune / Getty из статьи D. Lewis, 2021. Superspreading drives the COVID pandemic — and could help to tame it

Что ожидает вирусный генотип, попавший в новый географический регион? Насколько генетическое разнообразие вируса в стране обеспечивается географией и интенсивностью завозов? Обязательно ли вирусу обладать особыми мутациями, чтобы получить преимущество и завоевать новую локацию? Ответы на эти вопросы неоднозначны и зависят от множества факторов. Недавнее исследование показало, что подавляющее большинство российских образцов дельта-линии SARS-CoV-2 — потомки одного завозного случая или нескольких завозов из одного источника. Распространившийся вариант не имеет очевидных преимуществ над другими разновидностями дельты, кроме исключительного везения.

Факторы распространения

Успех генетического варианта вируса можно выразить через среднее число людей, которым передает инфекцию зараженный им человек. Исследователи называют эту величину репродуктивным числом, R (см. E. Mahase, 2020. Covid-19: What is the R number?). Оно зависит от собственных свойств варианта и от обстоятельств, в которых он возник.

С эволюционной точки зрения, важнейшее свойство генетического варианта вируса — его заразность. Успешные линии SARS-CoV-2 быстро распространяются благодаря двум своим характерным чертам. Во-первых, это повышение эффективности заражения клеток за счет мутаций, усиливающих связывание вируса с клеточным рецептором или повышающих вероятность проникновения в клетку после связывания. Например, нашумевшая мутация N501Y в S-белке (см. Coronavirus spike protein) усиливает связывание вируса с клеточным рецептором. Это было установлено экспериментально с помощью метода интерферометрии слоя биомолекул (см. Bio-layer interferometry). Этот метод анализа межмолекулярных взаимодействий основан на том, что параметры света, отраженного от поверхности, содержащей слой молекул (например, клеточного рецептора ACE2) меняется при связывании с молекулами из раствора (например, вирусным S-белком). Таким образом, можно установить, изменяется ли равновесная концентрация связанных молекул в результате мутации (Y. Liu et al., 2021. The N501Y spike substitution enhances SARS-CoV-2 infection and transmission). Когда вирус лучше связывается с клетками, для заражения может понадобиться меньшее количество вирусных частиц (то есть единиц вируса), потому что повышается шанс каждой частицы попасть в клетку и размножиться По независимым оценкам, для заражения организма в него должно попасть порядка сотен частиц SARS-CoV-2 (S. Karimzadeh et al., 2021. Review of infective dose, routes of transmission and outcome of COVID-19 caused by the SARS-COV-2: comparison with other respiratory viruses). Однако сравнения вирусных вариантов по этому параметру не проводились.

Рис. 1. Предположительный механизм усиления взаимодействия S-белка (серый) и клеточного рецептора ACE-2 (оранжевый) при мутации N501Y, состоящей в замене аспарагина (N) на тирозин (Y) в сайте 501 S-белка. Будучи крупнее и гидрофобнее аспарагина, тирозин надежней помещается в «гидрофобный карман» (hydrophobic pocket), образованный тирозином и лизином в позициях 41 и 353 клеточного рецептора. Иллюстрация из статьи B. Luan et al., 2021. Enhanced binding of the N501Y-mutated SARS-CoV-2 spike protein to the human ACE2 receptor: insights from molecular dynamics simulations

Вторая черта, присущая успешным штаммам SARS-CoV-2, — это способность быть незаметными для иммунной системы. История предыдущих штаммов, оставивших свой след в иммунитете хозяев, заставляет вирус становиться непохожим на своих предшественников в участках, узнаваемых иммунитетом. В этом отношении особенно интересен захвативший мир Омикрон, который не просто сделал внешние участки своего S-белка неузнаваемыми для антител, как предыдущие успешные варианты, а спрятал один из наиболее иммуногенных доменов внутрь белкового комплекса (S. Gobeil et al., 2022. Structural diversity of the SARS-CoV-2 Omicron spike).

Что такое «суперраспространение»?

Среди одинаково заразных вирусных вариантов некоторые могут получить большее распространение, если попадут на крупное событие, которое благодаря им назовут «событием суперраспространения» (superspreading event), или если заразят особых людей, называемых суперраспространителями (superspreaders).

Суперраспространение играет огромную роль в эпидемии SARS-CoV-2: большинство заразившихся не передает инфекцию дальше, но маленькая доля людей заражает многих. Другими словами, дисперсия числа передач очень велика. Реконструкция цепочек заражения в начале эпидемии показала, что 15% заболевших порождают 80% вторичных случаев (K. Sun et al., 2020. Transmission heterogeneities, kinetics, and controllability of SARS-CoV-2). Интересно, что дисперсия числа передач отличается для разных вирусов, но причины этого еще мало изучены (P. Chen et al., 2021. Understanding why superspreading drives the COVID-19 pandemic but not the H1N1 pandemic). Например, при эпидемии гриппа 2009 года (вариант получил название A(H1N1)pdm09) заболевшие распространяли вирус равномерно. В недавнем исследовании было показано, что SARS-COV-2, в отличие от A(H1N1)pdm09, имеет большой разброс концентрации вируса в респираторном тракте заболевших, что должно влиять на заразность. Кроме того, SARS-CoV-2 по-разному проявляется у разных людей, что тоже вносит свой вклад. Например, люди с кашлем будут более заразными, чем бессимптомные носители (P. Chen et al., 2021. Heterogeneity in transmissibility and shedding SARS-CoV-2 via droplets and aerosols).

Рис. 2. Цепочки передач, реконструированные для 1178 человек в провинции Хунань. Гистограмма показывает распределение числа вторичных инфекций, лучше всего приближающееся отрицательным биномиальным распределением. Рисунок из статьи K. Sun et al., 2020. Transmission heterogeneities, kinetics, and controllability of SARS-CoV-2

Любое общественное событие может привести к суперраспространению, и для SARS-CoV-2 описано много таких примеров. Например, опубликовано исследование случая, когда несколько десятков человек заразились на бизнес-конференции в Бостоне, что привело к сотням тысяч заражений в нескольких странах (J. E. Lemieux et al., 2020. Phylogenetic analysis of SARS-CoV-2 in Boston highlights the impact of superspreading events).

Что касается супер-распространителей, то факторы, определяющие таких людей, неизвестны. Это могут быть социальные особенности: конечно, человек, работающий в общественном месте и ведущий активную социальную жизнь, может заразить больше людей, чем тот, кто проводит время в основном дома. Особенности поведения тоже могут играть роль: показано, что человек выпускает наружу в 50 раз больше частиц, когда говорит громко, а не тихо, причем некоторые люди по неизвестным причинам способны выпустить на порядки больше частиц, чем другие (S. Asadi et al., 2019. Aerosol emission and superemission during human speech increase with voice loudness). Это намекает на возможность существования у суперраспространителей генетически определенных особенностей, хотя не все исследователи согласны с этим (D. Lewis, 2021. Superspreading drives the COVID pandemic — and could help to tame it).

Какие варианты вируса гуляли по России до приезда дельты

Первые образцы дельта-штамма в России были собраны в середине апреля 2021 года. До той весны наибольшее распространение в стране получили две эндемичные линии вируса, характеризующиеся своими наборами мутаций и мало представленные за пределами России. Анализ показывает, что эти линии потихоньку накапливали полезные мутации. В марте заметно возросла доля Альфы, и начали быстро расти в частоте еще три независимые линии... но дельта быстро расправилась с этим многообразием: появившись у нас в апреле, в июне она уже составляла более чем 90% российских образцов (G. V. Klink et al., 2022. Spread of endemic SARS-CoV-2 lineages in Russia before April 2021).

Рис. 3. Частотная динамика двух эндемичных российских линий и накопления ими мутаций до прихода дельты. Рисунок из статьи G. V. Klink et al., 2022. Spread of endemic SARS-CoV-2 lineages in Russia before April 2021

Дельта в России: не как у всех

Более 90% российских образцов дельты имели пару аминокислотных вариантов, встретившуюся всего в 2% образцов, собранных вне России. Первый в России образец с этими мутациями был собран 19 апреля, став одним из самых ранних образцов дельты в нашей стране. Вскоре этот вариант вируса стал доминирующим во всех 26 регионах России, откуда имелись данные.

Рис. 4. Мутации, имеющие частоту больше 5% в российских образцах дельты, собранных до 20 октября 2021 года. Рисунок из обсуждаемой статьи

Анализ эволюционного дерева подтвердил, что, несмотря на десятки событий завоза дельты в Россию, подавляющее большинство российских образцов дельты — потомки только одного из них.

Рис. 5. Эволюционное дерево дельты. В целях визуализации оставлено 5% российских (красный — потомки основного завоза, фиолетовый — потомки других завозов) и 0,2% иностранных (голубой) образцов. Красной точкой обозначен обсуждаемый завоз. Длины ветвей измерены в числе мутаций. Рисунок из обсуждаемой статьи

Эта ситуация не похожа на большинство других стран, где получили распространение потомки разных завозов дельты.

Рис. 6. Относительное эволюционное расстояние между образцами из одной страны (ось Х) и доля образцов-потомков самого значительного завоза в эту страну, определенного по филогенетическому дереву (ось Y). Названия стран раскрашены в соответствии с датой, когда дельта достигла частоты 1% среди вирусных образцов в стране. Рисунок из обсуждаемой статьи

Что помогло единственному варианту так здорово у нас обжиться? Может быть, две отличающие его мутации — nsp2:K81N + ORF7a:P45L? Эти мутации не были замечены в принесении вирусу пользы ни в одном из многочисленных исследований SARS-CoV-2. Кроме того, помимо России, этот вариант встречался в нескольких странах, но нигде больше не получил широкого распространения. Поэтому вряд ли он заразнее других вариантов дельты. Зато, сам будучи дельтой, он имел преимущество перед всеми линиями, циркулирующими в России до ее появления. И это поспособствовало его быстрому распространению, ведь его завоз в Россию был одним из первых «импортов» дельты. Однако далеко не единственным. Вероятно, варианту-счастливчику помогло событие суперраспространения, о котором нам остается только догадываться.

Источник: Galya V. Klink, Ksenia R. Safina, Elena Nabieva, Nikita Shvyrev, Sofya Garushyants, Evgeniia Alekseeva, Andrey B. Komissarov, Daria M. Danilenko, Andrei A. Pochtovyi, Elizaveta V. Divisenko, Lyudmila A. Vasilchenko, Elena V. Shidlovskaya, Nadezhda A Kuznetsova, The Coronavirus Russian Genetics Initiative (CoRGI) Consortium, Anna S. Speranskaya, Andrei E. Samoilov, Alexey D Neverov, Anfisa V Popova, Gennady G. Fedonin, The CRIE Consortium, Vasiliy G. Akimkin, Dmitry Lioznov, Vladimir A. Gushchin, Vladimir Shchur, Georgii A. Bazykin. The rise and spread of the SARS-CoV-2 AY.122 lineage in Russia // Virus Evolution. 2022. Volume 8. Issue 1. P. 1–11. DOI: https://doi.org/10.1093/ve/veac017.

Галина Клинк