Grippe-Evolution: Wie Wissenschaftler die Genomsequenzierung verwenden, um die Zukunft vorherzusagen

Die Evolution ist normalerweise sehr langsam, ein Veränderungsprozess, der Tausende oder Millionen von Jahren braucht, um zu sehen.

Aber für Influenza ist die Evolution schnell - und tödlich. Grippeviren verändern sich schnell, um die Abwehrkräfte des Körpers zu umgehen. Alle paar Jahre tauchen neue Varianten der Grippe auf und verursachen weltweit Epidemien.

Um die Ausbreitung der Grippe zu kontrollieren, muss man mit dieser fortlaufenden Entwicklung umgehen. Experten der Weltgesundheitsorganisation (WHO) müssen jedes Jahr ihre beste Vermutung darüber anstellen, wie sich das Virus verändern wird, um zu entscheiden, welche Grippestämme in den jährlichen Impfstoff aufgenommen werden sollen.

Diese Arbeit ist schwierig und unsicher und Fehler haben echte Konsequenzen. Weltweit infiziert die Grippe jedes Jahr mehrere Millionen Menschen und verursacht Hunderttausende Todesfälle. In Jahren, in denen die Vorhersagen das Ziel verfehlen und die Grippeimpfung sich stark von den zirkulierenden Stämmen unterscheidet, sind mehr Menschen anfällig für Infektionen.

In den letzten Jahren haben Fortschritte in der Genomsequenzierung begonnen, die Anfänge der viralen Evolution tief in einzelne Infektionen zu bringen. Wir fragten uns, ob diese Informationen uns angesichts der Grippe einen ersten Einblick in zukünftige globale Evolutionstendenzen geben könnten.

Was könnte eine Grippeinfektion einer einzelnen Person darüber erzählen, wie sich das Virus weltweit verändert? Wie sich herausstellt, eine überraschende Menge.

Tief in eine Infektion schauen

Jeder Schritt in der Entwicklung der Grippe beginnt mit einem Fehler. Da sich Viren innerhalb einer infizierten Person kopieren, mutieren sie manchmal und verändern ihren genetischen Bauplan geringfügig.

Die meisten Mutationen sind schädlich für das Virus, weil sie die Maschinerie zerstören, die sie zum Funktionieren benötigt. Aber von Zeit zu Zeit überlebt ein mutierter Virus und gedeiht sogar. Viren spielen ein konstantes Katz-und-Maus-Spiel mit dem menschlichen Immunsystem. Manchmal kann ein mutierter Virus gerade so verschieden sein, dass er der Aufmerksamkeit des Körpers entgeht.

Ein mutierter Virus mit dieser Art von Vorteil kann sich schnell vermehren und die Infektion dominieren. Schließlich kann es sich sogar von Person zu Person ausbreiten und von dort aus beginnen, sich auf der ganzen Welt auszubreiten.

In letzter Zeit ist es einfacher zu verfolgen, wie sich Viren im menschlichen Körper verändern. Die gleichen Fortschritte, die die Sequenzierung von menschlichen Genomen billig und einfach gemacht haben, verändern die Art und Weise, wie wir Viren untersuchen. Für die Kosten der Sequenzierung eines einzelnen menschlichen Genoms können wir Tausende von Viren während einer Infektion sequenzieren, um neue Mutationen zu verfolgen, sobald sie entstehen.

Diese Mutationen können uns zeigen, wie das Virus auf schwierige Umgebungen im menschlichen Körper reagiert. Bei HIV, wo Infektionen oft Jahre oder sogar Jahrzehnte andauern, kann die Entwicklung sogar innerhalb einer einzelnen Person erheblich sein. Insbesondere entwickeln Viren häufig eine Arzneimittelresistenz als Reaktion auf eine antivirale Behandlung.

Verfolgung der Grippevolution bei 4 langen Infektionen

Wir haben kürzlich die Virusentwicklung bei vier Krebspatienten mit Grippe-Infektionen über mehrere Monate verfolgt. Die meisten Grippe-Infektionen dauern etwa eine Woche, was die Menge an Veränderungen begrenzt, die auftreten können. Bei Patienten mit geschwächtem Immunsystem können Infektionen jedoch lange dauern und schwerwiegende Folgen haben.

Wie hat sich die Grippe bei diesen langen Infektionen verändert? Durch die Sequenzierung von Viren aus verschiedenen Zeitpunkten während der Infektion und den Vergleich ihrer Genome konnten wir neue Mutationen identifizieren und deren Schicksale nachverfolgen.

Die Evolution hat in wenigen Wochen gehandelt. Ein klares Beispiel war die Resistenz gegen Tamiflu. Die Patienten, die wir untersuchten, nahmen das Medikament ein, um ihre Infektionen zu kontrollieren. Wie in früheren Studien traten schließlich Viren auf, die Mutationen gegen Arzneimittelresistenz tragen. Diese Mutationen könnten zum Teil erklären, warum die Infektionen so lange anhielten.

Medikamentenresistenzmutationen waren nicht die einzigen evolutionären Veränderungen, die wir gesehen haben. Ein halbes Dutzend mutierte Viren, die sich alle nur geringfügig voneinander unterscheiden, konkurrieren manchmal gleichzeitig mit einer einzelnen Person.

Diese konkurrierenden Viren machten die Evolution zu einer komplizierten Angelegenheit. Eine Mutation, die sich in einer Woche auszubreiten begann, ging manchmal in der nächsten aus. Vermutlich wurde es durch eine noch bessere Mutation übertroffen.

In einigen Fällen fanden wir in unserer Studie die exakt gleichen Mutationen bei Viren von verschiedenen Patienten, obwohl wir feststellen konnten, dass sich die Patienten nicht gegenseitig infizierten. Wir erwarten nur sehr selten, dass solche Ähnlichkeiten zufällig auftreten. Die Viren haben möglicherweise ähnliche Anpassungen als Reaktion auf evolutionäre Herausforderungen gefunden. Einige dieser Mutationen haben möglicherweise dazu beigetragen, dass das Virus das Immunsystem meidet und andere Studien durchführt.

Zukunft prognostizieren

Darüber hinaus stimmen viele Mutationen bei diesen Patienten mit Mutationen überein, die sich später auf der ganzen Welt ausbreiteten. In den Spitzen der äußeren Hülle der Grippe, die dem Virus beim Eindringen in die Wirtszellen helfen, trat die Mutation N225D bei drei der vier Patienten unserer Studie auf. Etwa 8 Jahre nach der Infektion unserer Patienten trugen die meisten Grippeviren auf der ganzen Welt die gleiche Veränderung.

Für uns war das unerwartet. Die Evolution ist voll von Kompromissen, und einige Mutationen, die der Grippe helfen, sich an Menschen anzupassen, können die Übertragung von Person zu Person verlangsamen. Wir wussten auch nicht, ob die Entwicklung bei solch ungewöhnlich langen Grippeinfektionen weltweit mit den Veränderungsmustern übereinstimmen würde.

In unserer Studie zeigte die Entwicklung der Grippe bei einzelnen Menschen jedoch erstaunliche Ähnlichkeiten mit der Entwicklung auf der ganzen Welt. Wir konnten Hinweise auf einige globale Entwicklungstendenzen bei nur wenigen Personen finden.

Da sich die Technologien immer weiter verbessern, wird es einfacher, tief in Grippe-Infektionen zu blicken, wie wir es getan haben. WHO-Labore sequenzieren jedes Jahr Grippestämme von Tausenden von Menschen, um die Entwicklung der Grippe zu überwachen. Die Forscher sequenzieren immer mehr Stämme auf eine Weise, die es uns ermöglicht, Mutationen zu erfassen, wenn sie zuerst bei einzelnen Menschen auftreten.

Jede dieser Tausenden von Infektionen gleicht einem separaten evolutionären Experiment. Durch den Vergleich von Mutationen, die bei verschiedenen Infektionen auftreten, können wir evolutionsbiologische Möglichkeiten und Einschränkungen erkennen.

Irgendwann können diese Informationen helfen, die Entwicklung der Grippe vorherzusagen. Zumindest sind es jetzt einige der dynamischen Entwicklungsprozesse, die in jedem von uns stattfinden.

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation von Katherine Xue und Jesse Bloom veröffentlicht. Lesen Sie hier den Originalartikel.