«Испанка» осталась с нами в виде сезонного гриппа

Рис. 1. Волонтеры Красного Креста госпитализируют пациента во время пандемии «испанки». Изображение с сайта cdc.gov

Эволюция одного из самых смертоносных вирусов XX столетия — вируса испанского гриппа — до недавнего времени оставалась загадкой, потому что в распоряжении ученых было слишком мало геномов этого вируса. Секвенирование РНК из дополнительных образцов, которые ученые взяли из музеев, позволило узнать новые молекулярные подробности пандемии 1918 года. И первая, и вторая волны гриппа оказались вызваны одними и теми штаммами вируса, а потомки этих штаммов остались с нами навсегда в виде сезонного гриппа H1N1.

Испанский грипп или «испанка» — самая смертоносная пандемия XX столетия, унесшая жизни 50–100 млн чел. по всему миру (рис. 1). Для сравнения: эпидемия COVID-19, воспринимаемая нами как катастрофа вселенского масштаба, унесла 15 миллионов жизней к концу 2021 года — то есть примерно за тот же срок, что длилась «испанка».

Несмотря на меньшую летальность нынешней эпидемии, она напомнила об «испанке» и возродила публичный (и научный) интерес к пандемии 1918 года. Некоторое сходство способа распространения (воздушно-капельный), клинической картины и даже реакции органов здравоохранения (закрытие общественных мест, карантины) побудили на первых порах искать в «испанке» подсказку, как будет развиваться эпидемия.

Предполагается, что вирус гриппа 1918 года происходит из постоянного источника новых штаммов пандемического гриппа — резервуара вируса в популяции водоплавающих птиц. Водоплавающие птицы играют для вирусов гриппа ту же роль, что летучие мыши для коронавирусов — это резервуар, с которым вирус может сосуществовать. То есть «испанка» — это очередное преодоление межвидового барьера, внедрение в человеческую популяцию исходно животного вируса.

До недавнего времени этим ограничивалось все наше знание эволюции вируса, вызвавшего «испанку». Но как он менялся в процессе эпидемии, приспосабливаясь к новому хозяину? Как он передавался между странами и континентами? И, наконец, живы ли «потомки» этого вируса сейчас, или он исчез полностью из человеческой популяции, освободив нишу штаммам гриппа с иным происхождением?

Основная сложность в поиске ответов на эти вопросы заключалась в недостатке образцов, из которых можно выделить вирусную РНК — именно она нужна для компьютерного анализа эволюции вируса. И только недавно эту проблему удалось частично решить. Группа из 27 исследователей использовала музейные образцы тканей (прежде всего тканей легких и бронхов) пациентов, умерших от «испанки» (рис. 2). Использовались даже экспонаты из коллекции Рудольфа Вирхова! Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

Рис. 2. Образцы тканей дыхательных путей пациентов, умерших от «испанки». Из этих образцов была выделена РНК, которая помогла пролить дополнительный свет на эволюцию вируса гриппа 1918 года. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Из этих тканей удалось выделить РНК вируса гриппа 1919 года с хорошим покрытием — то есть большая часть сегментов РНК была представлена в прочитанных геномах. Эти геномы были добавлены к набору геномов вируса, которые были прочитаны ранее, — и теперь исследователи могли составить более-менее цельную картину эволюции вируса.

Прежде всего, исследователи изучили, как менялся вирус со сменой волн пандемии. Пандемия «испанки» имела три волны (рис. 3, а): первая волна пришла в июне-июле 1918 года — ее спад летом был принят за окончание пандемии. Но осенью и зимой началась вторая волна, которая была гораздо выше предыдущей и оказалась пиком всей эпидемии.

Рис. 3. а — волны пандемии гриппа 1918 года. Для облегчения восприятия волны пандемии обозначены кружочками того же цвета, как и на филогенетическом дереве образцов вируса (изображение б). Мы изменили легенду и сделали маркировку ярче — исходная версия рисунка доступна в оригинальной статье. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications, с изменениями

Сейчас, прожив почти три года с пандемическим коронавирусом, мы знаем, что такая картина объяснима естественным движением населения и сезонной динамикой его контактов. Но мы также знаем, что новая волна может означать приход нового, более заразного, штамма — именно так проявлялась интродукция штаммов Дельта и Омикрон во всех странах (Истоки распространения Дельты в России: неведомый источник и воля случая, «Элементы», 08.09.2022). Может быть, разные волны пандемии «испанки» тоже были вызваны разными штаммами?

На филогенетическом дереве, построенном исследователями (рис. 3, б), хорошо видно, что на всех эволюционных ветвях соседствуют последовательности первой и второй волн. Геномы, относящиеся ко второй волне, не образуют отдельного кластера или группы кластеров. То есть вторая волна была вызвана примерно теми же штаммами, которые вызвали первую. Те же самые эволюционные линии вируса, которые обрушились на мир 1918 года, «затаились» летом из-за частичного сезонного разобщения людей, чтобы осенью вернуться с новыми силами.

Но что можно сказать про развитие этих линий вируса с течением пандемии? Стали ли они более приспособленными к своему новому хозяину — человеку?

Интуитивно самым простым кажется предположение, что специфичность к новому хозяину вырабатывается прежде всего путем изменения белков, непосредственно связывающихся со структурами клетки-хозяина. Например, у коронавируса это S-белок — и именно от его аффинности к АПФ2 человека зависит заразность штамма. У вируса гриппа роль S-белка выполняет гемагглютинин (рис. 4), который и является той буквой «H» в обозначении типа вируса. Так, вирус «испанки», кодируемый как H1N1, имел первый тип гемагглютинина. Гемагглютинин связывается с сиаловыми кислотами на поверхности клеток хозяина.

Рис. 4. Строение вируса гриппа. Изображение с сайта cdc.gov, с изменениями

На основании ранее изученных геномов предполагалось, что ко второй волне большая часть линий вируса обзавелась аминокислотным остатком аспарагиновой кислоты в 222-м положении гемагглютинина, который специфически связывается только с человеческими сиаловыми кислотами. Согласно этой же гипотезе, в первую волну «в моде» у вируса было «носить» в этой позиции остаток глицина, который может связывать и птичьи, и человеческие сиаловые кислоты. Но обсуждаемая статья поставила эту гипотезу под сомнение: в образцах вируса из первой волны была обнаружена «человеческая» аспарагиновая кислота.

Зато нашлись другие «кандидаты»: ученые заметили, что у штаммов первой и второй волны различались аминокислотные остатки в 16-м и 223-м положениях нуклеопротеина. Интересно, что нуклеопротеин находится внутри вируса (в комплексе с РНК, обозначенном зеленым цветом на рис. 4), так что пока неясно, каков механизм влияния его мутаций на заразность и адаптацию к человеку (да и есть ли вообще это влияние?).

Самой интересной находкой оказалась эволюционная связь вируса «испанки» с сезонными вирусами гриппа H1N1. Оказалось, что все эти вирусы, циркулирующие до сих пор среди людей — его потомки. То есть «испанка» не вымерла — она дала начало сезонным штаммам, которые до пандемии коронавируса приходили почти каждую зиму. В общем, «испанка» до сих пор среди нас. Следует отметить, что пандемические варианты гриппа H1N1 — например, «свиной грипп» — не потомки «испанки», а независимые случаи перескока от животных.

Рис. 5. Две возможные реконструкции эволюции вируса «испанки». В обоих случаях «испанка» — это короткая ветвь, сестринская по отношению к штаммам сезонного гриппа H1N1, что указывает на их происхождение от вируса «испанки». Сестринская она потому, что дивергенция, видимо, произошла очень рано, в начале пандемии, и архивные штаммы «испанки» успели пройти короткое эволюционное расстояние, прежде чем убили своих хозяев и оказались в составе патологоанатомического препарата. Нельзя исключать и погрешностей молекулярной филогенетики. Также заметно происхождение «испанки», свиного гриппа и сезонных вирусов гриппа H1N1 от вирусов птичьего гриппа. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications, с изменениями

В заключении статьи авторы приводят важную ремарку: «В целом, мы признаем, что из-за очень малого размера выборки (три полных и два частичных генома) все представленные здесь результаты остаются предварительными. Дополнительные геномы из архивных образцов, относящихся к периоду пандемии, а также фенотипическая характеристика нескольких вирусов 1918 года in vitro и in vivo, несомненно, дадут возможность более надежной проверки наших гипотез».

Источник: Livia V. Patrono et al. Archival influenza virus genomes from Europe reveal genomic variability during the 1918 pandemic // Nature Communications. 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-29614-9.

Георгий Куракин