История взлета и падения западного энцефалита лошадей как смертельного заболевания дает важные уроки о том, как патоген может приобрести или потерять способность передаваться от животных к человеку.

Эта история отражена в недавно опубликованном исследовании Гарвардской медицинской школы, в котором определяются механизмы, с помощью которых вирус западного энцефалита лошадей заражает людей, и сопоставляются изменения этой способности с течением времени со снижением заболеваемости и смертности, вызванной патогеном.

По словам исследователей, результаты исследования, опубликованные 24 июля в журнале Nature , предлагают важные уроки экспертам в области общественного здравоохранения, стремящимся подготовиться к будущим вспышкам заболеваний.

Работа приняла много неожиданных поворотов, говорят исследователи. Результаты ставят под сомнение некоторые из основных предположений, на которые опирались ученые в своих попытках понять, как вирусы взаимодействуют с клетками человека и что вызывает вспышки, например, представление о том, что любой вирус нацелен на один рецептор хозяина, чтобы проникнуть и заразить клетки.

«Это была настоящая научная детективная история», — сказал старший автор исследования Джонатан Абрахам, доцент кафедры микробиологии в Институте Блаватника Гарвардской медицинской школы. «Вирус продолжал удивлять нас и научил нас нескольким важным урокам о том, как изучать вирусы».

Исследователи определили специфические белки, экспрессируемые на клетках-хозяевах, которые различные штаммы вируса использовали для заражения различных животных, включая лошадей, людей и птиц, за последнее столетие. Их выводы связали различия в способности вируса вызывать заболевание у людей и лошадей с изменениями в вирусном геноме, из -за которых вирус не мог нацеливаться на белки, обнаруженные у людей и лошадей, при этом оставляя нетронутой способность вируса заражать птиц и рептилий, которые служат резервуарами вируса.

Удивительное разнообразие и изменчивость способности вируса заражать клетки-хозяева подчеркивают важность изучения вирусов во времени, пространстве и среди видов хозяев для отслеживания потенциальных вспышек и мониторинга новых и повторно появляющихся вирусов.

Вирус меняет
Главный герой истории — вирус западного энцефалита лошадей (ВЗЭЛ), представитель семейства вирусов, известных как альфавирусы.

Одним из ключей к пониманию того, как вирус взаимодействует с хозяином, является определение точного пути, по которому он проникает в клетки и вызывает инфекцию.

WEEV и другие представители семейства альфавирусов обычно прикрепляют шиповидный белок к совместимому белку — рецептору — на поверхности клетки-хозяина. Прикрепившись к рецептору-хозяину, вирус проникает в клетку. Попав внутрь клетки, вирус захватывает клеточный арсенал, чтобы обеспечить собственную репликацию, распространение и выживание.

Исследователи создали безвредные реплики различных вирусных штаммов, собранных в разное время и в разных местах, и проверили их способность инфицировать клетки-хозяева в лабораторных чашках Петри. Они также проверили некоторые штаммы на мышах.

Известно, что несколько смертельных штаммов WEEV вызывают тяжелое воспаление мозга как у лошадей, так и у людей. В некоторые годы погибали тысячи лошадей и заболевали сотни людей. Показатели смертности среди людей достигали 15 процентов в Северной Америке в начале и середине 20-го века.

Группа Абрахама обнаружила, что некоторые из этих ранних штаммов могли прикреплять свои шиповидные белки к нескольким различным типам рецепторов, чтобы проникать в клетки животных. Это было неожиданным открытием, поскольку до сих пор господствующая догма в вирусологии состояла в том, что вирусы обычно атакуют, нацеливаясь только на один тип рецептора клетки-хозяина.

Группа исследователей обнаружила, что штаммы, циркулирующие в годы частых вспышек, могут использовать множественные рецепторы, которые экспрессируются на клетках мозга людей и лошадей, включая белки, известные как PCDH10 и VLDLR.

Хотя вирус все еще циркулирует среди птиц, комаров и других животных, последняя вспышка в Соединенных Штатах среди людей произошла в 1987 году, согласно данным Центров по контролю и профилактике заболеваний. С тех пор в Соединенных Штатах было выявлено всего пять случаев.

Напротив, когда исследователи протестировали более свежие изолированные штаммы, выделенные от комаров в Калифорнии в 2005 году, они обнаружили, что вирусный шиповидный белок не распознает человеческие рецепторы, но все еще может взаимодействовать с аналогичными белками, обнаруженными у птиц.

Исследователи проанализировали последовательности генов 44 различных штаммов вируса западного энцефалита лошадей для исследования. Образцы для этих штаммов были выделены в период с 1930 по 2005 год и были в основном собраны у лошадей, людей и комаров. Образцы также были взяты у нескольких различных видов птиц, включая белоголового воробья, индейку и эму, а также черепаху и серую белку. Большая часть вируса западного энцефалита лошадей была обнаружена в Северной и Южной Америке, но исследование также включало образцы, которые, как считалось, были собраны за пределами региона. Последовательности генов были получены из GenBank NIH. Прилагаемая электронная таблица (см. Get the Data ниже) включает приблизительные местоположения, год сбора каждого образца и название штамма в образце. Кредит: Гарвардская медицинская школа
На основании этих результатов исследователи выдвигают гипотезу, что вирус эволюционировал, возможно, потому, что лошадей можно вакцинировать, и они больше не настолько распространены в сельском хозяйстве или транспортной отрасли, чтобы служить эффективными распространителями вируса.

Альтернативно, отмечают исследователи, вирус мог эволюционировать посредством простого антигенного дрейфа, процесса, при котором случайные мутации вызывают ряд небольших изменений в вирусном геноме, которые со временем могут изменить способ взаимодействия вируса с хозяином. Какова бы ни была причина, исследователи говорят, что тонкие изменения в форме вирусных шиповидных белков изменили клеточные рецепторы, с которыми вирус мог связываться.

Это изменение в целевых рецепторах хозяина, вероятно, является центральной причиной, по которой вирус «затерялся» как человеческий патоген в Северной Америке, заявила исследовательская группа. Это недавно полученное понимание динамической сложности вирусных рецепторов является важным инструментом для понимания того, как этот вирус или другие, подобные ему, могут однажды снова появиться, заявили ученые.

«Нам необходимо понять, что происходит с вирусами, когда они погружаются в воду, чтобы лучше подготовиться к их повторному появлению», — сказал первый автор Ваньюй Ли, докторант Гарвардской аспирантуры искусств и наук имени Кеннета К. Гриффина, работающий в программе по вирусологии на Гарвардском отделении медицинских наук в HMS.

Например, знание того, сохраняются ли опасные версии патогена в изолированных популяциях насекомых или приобрел ли вирус способность заражать других животных, может стать важным ранним предупреждением о возможных рецидивах заболеваний, которые, как считалось, исчезли.

Сложное поведение вируса
В ходе своих экспериментов исследователи обнаружили, что некоторые старые штаммы WEEV ведут себя не так, как ожидалось.

Команда использовала вирус восточного лошадиного энцефалита — более смертоносного родственника WEEV — в качестве контроля в некоторых экспериментах. В одном из тестов команда обнаружила, что старый штамм WEEV мог использовать тот же рецептор, что и восточный вирус, чего не могли делать более новые штаммы WEEV. Они также обнаружили различные штаммы WEEV, которые использовали другие рецепторы. Некоторые штаммы могли прилипать к птичьим версиям рецепторного белка, но не к тем, которые экспрессируются в клетках человека или лошадей.

Результаты служат важным напоминанием о том, что вирусы являются частью динамической системы и что сами вирусы динамичны, с тонкими, но существенными различиями во времени и географии. Эту идею убедительно подтвердил быстро меняющийся вирус SARS-CoV-2, который стал причиной пандемии COVID-19, утверждают исследователи.

«Это был тревожный звонок», — сказал Абрахам. «Он говорит нам, что мы не можем просто изучать один штамм вируса и предполагать, что знаем всю историю. Вирусы кажутся простыми, но они довольно сложны, и они постоянно меняются».

Применение уроков для обеспечения готовности к пандемии
В стандартной вирусологии исследователи часто проверяют лишь ограниченное количество вирусных штаммов. Эти новые открытия показывают, что этого недостаточно для настоящего понимания вируса.

«Можно узнать гораздо больше биологии, исследуя разнообразие этих сложных систем», — сказал Абрахам. Он также отметил, что необходимо изучить как можно больше вирусного разнообразия, чтобы подготовиться к возможным вспышкам.

Многие вирусы циркулируют среди насекомых и животных, которые живут вокруг нас, сказал Абрахам. Некоторые, как клещевая инфекция Повассан, которая является эндемичной в Новой Англии, время от времени вспыхивают, вызывая смертельные или изнурительные заболевания.

Абрахам сказал, что может быть много причин для вспышек. Существуют ли разные штаммы Powassan, несущие разный уровень риска? Является ли это изменением окружающей среды или эволюционным сдвигом в самом патогене, который вызывает новые вспышки? Рассмотрение всех этих аспектов и широты вирусного разнообразия поможет исследователям предсказывать и защищать от вспышек.

В другом повороте событий, когда Абрахам и его команда проводили свои эксперименты, новая вспышка WEEV произошла в Южной Америке, где также наблюдалось резкое снижение заболеваемости в последние годы. Вирусные популяции в Южной и Северной Америке, по-видимому, генетически различаются, и южноамериканский штамм вируса не остается жизнеспособным достаточно долго, чтобы перелетные птицы могли регулярно переносить его с одного континента на другой.

Тем не менее, отметил Абрахам, новая вспышка в Южной Америке подчеркивает важность бдительности и улучшения научного понимания этих изменчивых, меняющих форму вирусов .

«Возвращение WEEV застало всех врасплох», — сказал Ли. «Теперь, когда известны его клеточные рецепторы-хозяева, у нас есть инструменты для понимания молекулярных аспектов повторного появления WEEV».

В настоящее время Абрахам и его коллеги изучают штаммы, связанные с недавней вспышкой в ​​Южной Америке.

«Одно небольшое изменение в вирусном геноме, в интенсивности сезона дождей, который позволяет комарам размножаться, или в месте проживания или работы людей может спровоцировать вспышку», — сказал Абрахам. «Чем больше мы знаем, тем лучше мы сможем защитить себя».