Как геномная эпидемиология отслеживает распространение COVID-19 на местном и глобальном уровнях?

Новый коронавирус бросает вызов технологиям секвенирования генома и обработке данных, как никогда раньше.

В декабре 2019 года новые случаи тяжелой пневмонии были впервые обнаружены в Ухане, Китай, и было установлено, что причиной стал новый бета-коронавирус, связанный с коронавирусом тяжелого острого респираторного синдрома (ТОРС), который появился из резервуара летучих мышей в 2002 году. В первый месяц вспышки 2641 случай COVID-19 привел к 1832 госпитализациям, 207 госпитализациям в реанимацию и 126 смертельным исходам. Коронавирусная болезнь 2019 года (COVID-19), заболевание, вызываемое SARS-CoV-2, была объявлена Всемирной организацией здравоохранения чрезвычайной ситуацией в области общественного здравоохранения, имеющей международное значение, 30 января 2020 года и пандемией 11 марта 2020 года. Covid 19 привела к карантину по всему миру, экономическим и социальным беспорядкам, что привело к переполнению сектора здравоохранения.

Многочисленные вспышки указывают на то, что стратегии подготовки и реагирования нуждаются в модернизации. Современные достижения в секвенировании ДНК, геномике, эпидемиологии и анализе больших данных дают новые модели для отслеживания сетей симптоматической и бессимптомной передачи и выявления мест распространения и групп риска, тем самым позволяя прервать или задержать передачу вируса для снижения социальных и экономических нарушения и снизить заболеваемость и смертность.

Образцы и эпидемиологические данные

Генетики могут секвенировать вирусные геномы на протяжении десятилетий, но последние достижения в области технологий позволяют сделать это за считанные часы или дни. Так же быстро ученые со всего мира могут делиться своими знаниями через глобальную сеть с открытым исходным кодом, известную как Nextstrain. Эта скорость и сотрудничество изменили правила игры, позволив использовать эту «геномную эпидемиологию» в режиме реального времени по мере развития пандемии COVID-19. Большая часть силы геномной эпидемиологии проистекает из того факта, что большинство вирусов делают много ошибок при копировании своих геномов, поэтому вариации в последовательности, то есть новые мутации, возникают относительно часто. Это особенно верно в отношении вирусов, которые используют РНК в качестве своего генетического материала, как это делают коронавирусы. Очень немногие из этих мутаций влияют на действие вируса — большинство из них вообще не имеют очевидных последствий, — но исследователи могут использовать их в качестве маркеров, чтобы составить генеалогическое древо вируса и увидеть, как вирус изменился с течением времени и как он расширился от локаль к локали.

В начале вспышки COVID-19 исследователи во всем мире начали секвенировать вирусы, протестированные на пациентах, и построить генеалогическое древо вируса на Nextstrain. Почти сразу же они увидели, что дерево короткое — последовательности вируса еще не приобрели много отчетливых мутаций, а это означает, что новый коронавирус SARS-CoV-2 недолго заражал людей. Кроме того, у дерева был один ствол, что указывает на то, что каждый вирус, заражающий людей, вероятно, исчез из одного случая в начале декабря 2019 года. Генетическая изменчивость вируса SARS Cov-2 также означает, что эпидемиологи могут использовать эти вариации в своем геноме для отслеживания скорости распространения. вирус во время эпидемии. Это связано с тем, что большинство мутаций по существу случайны, поэтому каждая ветвь дерева вирусов, вероятно, будет иметь свой собственный уникальный набор мутаций. Например, если вирус одного человека содержит мутации A, B и C, этот человек мог заразиться им от кого-то, чей вирус несет A и B или A и C, но не от того, чей вирус содержит A, B, C и D. .

По генетическому следу

В начале нынешней пандемии компания Nextstrain зафиксировала наличие идентичных или почти идентичных геномов коронавируса у людей в таких отдаленных друг от друга странах, как Канада, Австралия и Великобритания. Геномы были настолько похожи, что ученые пришли к выводу, что у них должен быть общий источник. Этот красный флаг вызвал дальнейший допрос, который показал, что все больные в последнее время ездили в Иран. Для вируса Covid-19 каждая вирусная линия накапливает около 30 новых мутаций в год, что составляет примерно одну новую мутацию на два звена в цепи передачи. В результате одна и та же последовательность вирусного генома может быть обнаружена у разных людей, поэтому трекеры генома могут сузить передачу только до нескольких подозреваемых. Дополнительная неопределенность возникает из-за того, что исследователи, вероятно, не могут секвенировать вирусы от каждого инфицированного человека во время широко распространенной пандемии.

Вирусное генеалогическое древо

Геномы могут очень хорошо ответить на ключевой вопрос общественного здравоохранения в начале эпидемии: завозятся ли новые инфекции в данную местность путешественниками или они возникают внутри страны? Последнее — результат распространения вируса в сообществе — вызовет необходимость в мерах социального дистанцирования, которые теперь знакомы многим из нас.

Например, в конце февраля секвенаторы обнаружили пациентов в Германии и Италии, которые имели одну и ту же необычную вирусную мутацию. Поскольку немецкий пациент заболел раньше, это заставило некоторых исследователей предположить, что вирус распространился из Германии в Италию. В действительности, однако, и немецкие, и итальянские пациенты могли заразиться вирусом от какого-то третьего, но загадочного человека, чей вирус не был секвенирован. Тем не менее эти ограничения не помешали геномной эпидемиологии сыграть ключевую роль в пандемии COVID-19. Этот подход помог чиновникам общественного здравоохранения идентифицировать патоген, отследить его перемещение и быстро распознать распространение среди населения. И в ближайшие месяцы этот метод может внести еще больший вклад. Один вклад, вероятно, будет получен в результате долгосрочных исследований того, где мутации попадают в геном. Помните, что большинство генетических изменений практически не влияют на вирус: они «нейтральны» на языке биологов-эволюционистов. Но мутации, которые изменяют форму ключевых белков, таких как шиповидный белок на поверхности вируса, который связывается с рецепторами в наших клетках, скорее всего, имеют значение.

Используя геномные «хлебные крошки» для отслеживания передачи вируса, эпидемиологи надеются определить, какие действия с наибольшей вероятностью способствуют распространению вируса. Научное сообщество сосредоточено на поиске как можно большего количества геномных данных. Следующим шагом может стать обнаружение связей между геномными последовательностями SARS-CoV-2 и его вирусными свойствами. Это может помочь ученым понять, приводит ли конкретная мутация к более тяжелой инфекции или к набору симптомов.