Три уровня прогнозирования штаммов вируса гриппа
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Проблемные статьи
Problem-Solving Article
https://doi: 10.31631/2073-3046-2019-18-2-4-17
Три уровня прогнозирования
штаммов вируса гриппа
Е. П. Харченко*
ФГБУН «Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова» РАН
Резюме
Актуальность. Снижения заболеваемости и смертности от гриппа и вызываемых им осложнений можно успешно добиться, если
вакцинные штаммы будут соответствовать циркулирующим. Существует по крайней мере 3 уровня прогнозирования: прогнозирова-
ние вакцинных штаммов на предстоящий эпидсезон; прогнозирование тенденции изменения вирусов гриппа на 2–3 года вперед;
прогнозирование появления препандемических штаммов вируса. Цель работы состояла в анализе возможностей биоинформатики
реализовать прогнозирование на этих 3 уровнях для подтипов H1N1 и H3N2. Материалы и методы. Для компьютерного анализа
были использованы доступные в Интернете базы данных первичных структур гемагглютинина (НА) штаммов H1N1 и H3N2, выделенных
в эпидсезон гриппа 2016–2017 – 2018–2019 гг. На первом уровне прогнозирования использована адаптированная скрытая марков-
ская модель, на втором – выполнялся поиск инвариантов в НА H1N1 и его антигенных сайтах, а на третьем уровне прогнозирование
строилось на основе выявления инвариантов во внутренних белках пандемических штаммов. Результаты. Предсказана циркуляция
нескольких доминирующих штаммов в эпидсезоне 2018–2019 гг., показано существование инвариантов в НА Н1 и в его антигенных
сайтах НА H1N1 и сделан вывод о маловероятности угрозы возникновении пандемии гриппа, вызванной птичьими штаммами вируса
гриппа. Заключение. Биоинформационный подход можно рассматривать как ценный инструмент в прогнозировании на разных уров-
нях циркуляции определенных штаммов вируса гриппа в эпидсезон.
Ключевые слова: вирус гриппа, прогнозирование, эпидсезон, пандемия, антигенные сайты
Конфликт интересов не заявлен.
Эпидемиология и Вакцинопрофилактика. Том 19, № 2/Epidemiology and Vaccinal Prevention. Vol. 19, No 2
Для цитирования: Харченко Е. П. Три уровня прогнозирования штаммов вируса гриппа. Эпидемиология и Вакцинопрофилактика.
2019; 18 (2): 4–17. https://doi: 10.31631/2073-3046-2019-18-2-4–17.
Three Levels of the Predicting of the Influenza Vaccine Strains
E. P. Kharchenko**
Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry, Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, Russian Federation
Abstract
Relevance. The influenza vaccine can reduce the incidence and mortality from influenza if that are antigenically the same or related
to the viruses. There are at least 3 levels of prediction: vaccine strains for the upcoming epidemic season; the trend of influenza viruses
for 2–3 years ahead, the emergence of pre-pandemic virus strains. The aim of the work was to analyze the potential of bioinformatics
to implement prediction at these 3 levels for subtypes H1N1 and H3N2. Materials and methods. For the computer analysis, the database
of the hemagglutinin (HA) primary structures of the H1N1 and H3N2 strains isolated in the influenza epidemiological season 2016–2017 –
2018–2019 was used from the Internet. At the first prediction level, an adapted hidden Markov model was used, at the second, invariants
were searched for НА H1N1 and its antigenic sites, and at the third level, prediction was based on identifying invariants in structural proteins
of pandemic strains. Results. The circulation of several dominant strains in the epidemiological season 2018–2019 was predicted,
the existence of invariants in НА Н1 and its antigenic sites НА H1N1 was shown, and it was concluded that the threat of an influenza pandemic
caused by avian influenza viruses was unlikely. Conclusion The bioinformatics approach can be considered as a valuable tool in predicting,
at different levels of circulation, certain strains of the influenza virus in the epidemic season.
Key words: influenza, influenza virus strain, prediction, epidemic season
No conflict of interest to declare.
For citation: Kharchenko E. P. Three Levels of the Predicting of the Influenza Vaccine Strains. Epidemiology and Vaccinal Prevention. 2019; 18
(2): 4–17 (In Russ.). https://doi: 10.31631/2073-3046-2019-18-2-4–17.
* Для переписки: Харченко Евгений Петрович, ФГБУН «Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова», вед. научн. сотр.
Тел./факс: 8 (812) 552-70-31 (служебн.); 8 904 338-22-80 (моб.), neuro.children@mail.ru. ©Харченко Е. П.
** For correspondence: Eugene P. Kharchenko Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry, leader researcher.
Phone/Fax: +7 (812) 552-70-31 (offiсe); +7 904 338-22-80, neuro.children@mail.ru ©Kharchenko E. P.
4Проблемные статьи
Problem-Solving Article
Введение идентичные по НА штаммы из одного и того же ис-
Для разных целей прогнозирования относитель- точника. После фильтрации численность штаммов
но штаммов вирусов гриппа используются различ- в каждой из анализируемых выборок снижалась
ные концептуальные подходы и по крайней мере примерно на 75–80%.
три уровня. Для построения оптимальной первичной
Первый уровень связан с определением вакцин- структуры НА возможного вакцинного штамма
ного штамма (по каждому подтипу вируса гриппа, использована скрытая модель Маркова [4], адап-
входящему в состав трех- либо четырехвалентной тированная нами применительно к специфике,
вакцины) на предстоящий эпидсезон гриппа посред- связанной с особенностями структуры НА и его эво-
ством анализа информации о циркулирующих в те- люции. Первоначально для каждого года в последо-
кущем эпидсезоне штаммов. Второй уровень имеет вательности из 566 позиций (длина НА) определяли
отношение к прогнозированию тенденции эволюции расположение инвариантных (консервативных)
вирусов гриппа на 2–3 года вперед и предполага- аминокислот или их блоков для всей выборки
ет наличие базы данных по вирусам, охватываю- штаммов, выделенных и секвенированных в пе-
щей определенную эпоху. Его результаты полезны риод с 1 октября предыдущего года по 1 февраля
для планирования производства вакцин на после- последующего года. Следующий этап состоит в раз-
дующие годы. Поскольку роль гемагглютинина (НА) мещении конкретных аминокислот в вариабельных
является определяющей в распространении ви- позициях между инвариантными блоками. Для это-
руса гриппа и в формировании популяционного го определяли все аминокислотные замены и их ча-
иммунитета к нему, то первые два аспекта прогно- стоты по каждой вариабельной позиции для НА
зирования ограничиваются рассмотрением изме- всех включенных в анализ штаммов анализируемо-
нения преимущественно первичной структуры НА. го эпидсезона. По каждой вариабельной позиции
Прогнозирование возникновения будущих пан- частоты встречаемости замещающих аминокис-
демий гриппа – предмет анализа третьего уров- лот резко отличаются, что упрощает процедуру до-
ня и является наиболее сложным. До развития страивания аминокислотных последовательностей
новых технологий секвенирования геномов и бел- между консервативными позициями поскольку
ков информационная база для прогнозирования отпадает необходимость расчета вероятности на-
изменений вирусов гриппа была недостаточной, хождения конкретной аминокислоты в исследуе-
и оно представлялось даже невозможным мой позиции и вероятность соседства ее с другой.
Эпидемиология и Вакцинопрофилактика. Том 19, № 2/Epidemiology and Vaccinal Prevention. Vol. 19, No 2
Накопившиеся в последние годы, по- Аминокислота с наибольшей частотой встречаемо-
сле пандемии гриппа 2009 г., огромные сти в ряду замен для конкретной позиции в первич-
доступные базы данных по молекулярным ха- ной структуре НА названа нами как доминирующая,
рактеристикам вирусов гриппа стимулировали и поскольку сам процесс восстановления первич-
внедрение методов биоинформатики для прогно- ной структуры НА возможного вакцинного штам-
зирования их изменений [1, 2]. Цель данной ста- ма построен на заполнении «инвариантной» цепи
тьи – показать возможности биоинформативного доминирующими аминокислотами, то построенная
подхода к прогнозированию изменений вирусов цепь НА названа также доминирующей (далее ради
гриппа на трех уровнях применительно к подтипам краткости она будет именоваться как «доминиру-
H1N1 и H3N2. ющая последовательность НА»). В некоторых пози-
циях ряд замещающих аминокислот содержит две
Материалы и методы разные аминокислоты с очень близкими высокими
Первый уровень. Описание этого уровня прогно- частотами встречаемости, что служит свидетель-
зирования подробно изложено ранее [3], и в дан- ством доминирования в сезоне по крайней мере
ной статье приводится лишь краткое его описание двух штаммов и предвестником того, что в любом
(с дополнением) для понимания сущности особен- варианте прогнозирования штаммов при вакцина-
ностей последних двух эпидсезонов. Компьютерный ции риск инфицирования в предстоящем сезоне не
анализ первичной структуры НА включал штаммы снизится на 50–60%, если обе эти доминантные ами-
(с полностью секвенированным НА) вируса гриппа нокислоты входят в иммунные эпитопы НА, поскольку
подтипов H1N1 и H3N2, выделенные в северном одним вакцинным штаммом или доминирующей по-
полушарии у человека в эпидемических сезонах следовательностью НА не возможно охватить много-
2017–2018 и 2018–2019 гг. с 1 октября предыду- образия изменений НА. Наличие двух доминирующих
щего года по 1 февраля последующего года. Общая аминокислот в ряду замен в той или иной позиции
численность штаммов по H1N1 и H3N2 состави- требует уточнения о допустимых соседствующих ами-
ла соответственно 4663 и 5263. Источником нокислотах, и для этого можно воспользоваться рас-
первичных структур НА служила общедоступная четами вероятности встречающихся в НА дуплетов
в Интернете база данных (http://www.platform. (либо триплетов) аминокислот.
gisaid.org). Во всех выборках были отсеяны штаммы Для оценки рекомендации Всемирной орга-
со вставками, делециями или неидентифицирован- низации здравоохранения (ВОЗ) по вакцинным
ными позициями в первичной структуре НА, а так- штаммам H1N1 и H3N2 на эпидсезоны 2017–
же штаммы с резко отличающейся структурой либо 2018, 2018–2019 и 2019–2020 гг. построенные
5Проблемные статьи
Problem-Solving Article
доминантные последовательности НА сравнивали Для сопоставления доминирующих последова-
с НА штаммов, рекомендованных ВОЗ для вклю- тельностей смежных эпидсезонов определяли
чения в состав вакцины. Поскольку успешность изменения первичной структуры последующей до-
выбора вакцинного штамма будет определяться минирующей последовательности по отношению
близостью его НА к НА циркулирующих штаммов к предыдущей (см. табл. 1).
в эпидсезоне, то иллюстрацией близости может Второй уровень. Предметом анализа служили
служить такой простой интегральный показатель изменения построенных доминирующих последо-
как частотное распределение штаммов по обще- вательностей НА штаммов H1N1 и иммунных эпи-
му числу аминокислотных различий первичной топов в них. Была составлена сводка изменений
структуры НА циркулирующих штаммов от НА вак- иммунных эпитопов НА единичных штаммов от
цинного штамма или доминирующей последо- 1918 г. до 2009 г. и осуществлен поиск в ней ин-
вательности НА соответственно по интервалам вариантных и редко мутирующих позиций. Для вы-
различий. Для этого были использованы интерва- явления особенностей трансляционного кода НА
лы различий НА на 0–5 (А), 6–10 (Б) и >10 (В) штаммов H1N1 были использованы более 100 дру-
аминокислотных остатков (табл. 1). Достоверность гих выделенных в разные годы штаммов.
различий распределений штаммов по этим интер- Третий уровень. Его методология была разрабо-
валам по вакцинному штамму и доминирующей по- тана нами ранее [6], и объектами анализа на данном
следовательности НА оценивали по статическому уровне чаще всего служат штаммы с резко отличаю-
критерию для сравниваемых выборочных долей щейся структурой НА. Компьютерный анализ включал
вариантов [5]. Дополнительным показателем раз- первичные структуры внутренних белков (РВ1, РВ2,
личий прогнозирования были средние (интерваль- РА, NP, M1, M2 NS2) 150 штаммов вируса гриппа А,
ные) значения отличий первичной структуры НА выделенных у человека, свиньи и птиц, в числе кото-
всех штаммов эпидсезона соответственно от НА рых подтипы H1N1, H2N2, H3N2, H5N1, H7N9,H9N2,
рекомендованного ВОЗ штамма и доминантной по- H10N3, H7N7, H4N6 и H6N1. Из-за вариабельно-
следовательности НА. Статистическую значимость сти длины NS1 белок был исключен из анализа.
их различий оценивали по критерию Стьюдента [5]. Обучающая выборка пандемических штаммов (ПШ)
Таблица 1. Распределение количества штаммов по интервалам различий первичной структуры их НА
от доминантной последовательности НА и НА вакцинного штамма для эпидсезонов 2017–2019 гг.
Эпидемиология и Вакцинопрофилактика. Том 19, № 2/Epidemiology and Vaccinal Prevention. Vol. 19, No 2
Table 1. The distribution of the number of strains by the intervals of differences in the primary structure of their HA from
the dominant sequence of HA and HA of the vaccine strain for epidemic seasons 2017–2019
Штаммы, рекомендованные ВОЗ (ШРВОЗ),
Период выделения штаммов доминирующие последовательности (ДП)
A Б В хср Σ
The period of isolation of strains The strains recommended by WHO (SRWHO),
the dominant sequence (DS)
H1
01.10.2017–01.02.2018 ШРВОЗ/SR WHO (2018–2019)* 134 106 1 (5-6) 241
01.10.2018–01.02.2019 ШРВОЗ/SR WHO (2018–2019)* 35 445 36 (8) 516
01.10.2018–01.02.2019 ШРВОЗ/SR WHO (2019–2020)** 31 439 46 (8) 516
01.10.2017–01.02.2018 ДП/DS (01.10.2017–01.02.2018) 226 12 3 (2-3) 241
01.10.2018–01.02.2019 ДП/DS (01.10.2017–01.02.2018) 297 218 1 (5) 516
01.10.2018–01.02.2019 ДП/DS (01.10.2018–01.02.2019) 406 109 1 (4-5) 516
Н3
01.10.2017–01.02.2018 ШРВОЗ/SR WHO (2018–2019)*** 12 216 30 (8-9) 258
(10-
01.10.2018–01.02.2019 ШРВОЗ/SR WHO (2018–2019)*** 3 212 85 300
11)
01.10.2018–01.02.2019 ШРВОЗ/SR WHO (2019–2020)**** 42 3 255 (16) 300
01.10.2017–01.02.2018 ДП/DS (01.10.2017–01.02.2018) 138 32 88 (6-7) 258
01.10.2018–01.02.2019 ДП/DS (01.10.2017–01.02.2018) 34 19 247 (12) 300
01.10.2018–01.02.2019 ДП/DS (01.10.2018–01.02.2019) 150 63 87 (8) 300
Примечание: ШРВОЗ – штамм, рекомендованный ВОЗ для вакцины на соответствующий эпидсезон; ДП – доминантная последователь-
ность, построенная по штаммам по соответствующему периоду их выделения; хср – интервал значения средней. Σ –числен-
ность штаммов выборки; А, Б и В – соответственно интервалы различий на 0–5, 6–10 и > 10 аминокислот. *A/Michigan/45/2015
(H1N1); **A/Brisbane/02/2018; ***(H1N1)A/Singapore/INFIMH-16-0019/2016 (H3N2);****A/Kansas/14/2017/ H3N2.
Note: SR WHO – a strain recommended by the World Health Organization for a vaccine for the corresponding epidemic season; DS – the dominant
sequence, built on the strains for the corresponding period of their selection; xmid is the interval of the mean value. Σ is the number of sample
strains; A, Б and В – respectively, the intervals of differences by 0–5, 6–10 and > 10 amino acids. *A/Michigan/45/2015 (H1N1);
**A/Brisbane/02/2018; ***(H1N1)A/Singapore/INFIMH-16-0019/2016 (H3N2); ****A/Kansas/14/2017/H3N2.
6Проблемные статьи
Problem-Solving Article
включала H1N1 A/Brevig Mission/1/18, H1N1 A/ и H3N2 вируса гриппа для вакцинных штаммов
USSR/90/1977, H1N1 A/California/08/2009, H2N2A/ двух последних (2017–2018 и 2018–2019 гг.) и бу-
Japan/305/1957 и H3N2 A/Aichi/2/1968. Путем дущего (2019–2020 гг.) эпидсезонов и в срав-
сравнения аминокислотных последовательностей нении их с первичной структурой НА штаммов,
внутренних белков пяти ПШ обучающей выборки для рекомендованных ВОЗ для включения в вакцину.
каждого белка выводили матрицу инвариантности Внимание к этим эпидсезонам мотивировано тем,
первичной структуры (МИПС) ПШ. Затем был выпол- что эпидсезон 2017–2018 гг., судя по числу образ-
нен поиск в контрольной выборке других ПШ и опре- цов, оказавшихся позитивными к вирусу гриппа,
делены отличия белков неПШ от МИПС. Исключение оказался в некоторых странах (особенно в США [7])
штамма из числа ПШ проводилось при наличии хотя наихудшим за длительный период наблюдения,
бы одного отличия структуры их внутрених белков а в текущем эпидсезоне 2018–2019 гг. максимум
от МИПС. числа заболевших с подтвержденным дигнозом
Дополнительно в генах НА пандемических и пти- «грипп» отмечен позднее, чем в эпидсезоне 2017–
чьих штаммов анализировали присутствие ини- 2018 гг., на 2 недели, после чего фиксировался
циирующей у эукариот трансляцию консенсусной быстрый темп ослабления эпидемии гриппа в се-
последовательности Козак ССG/АCCATG и in silico верном полушарии. Кроме того, возникла неопре-
определяли транслируемый с этой последователь- деленность с рекомендацией ВОЗ по вакцинному
ностью белок. штамму для подтипа H3N2 на эпидсезон 2019–
В статье используется двойной международный 2020 гг. (см. материалы сайта ВОЗ в Интернете).
код аминокислот: A,Ala – аланин, C,Cys – цистеин, В таблице 1 дано сравнение показателей до-
D,Asp – аспарагиновая кислота, E,Glu – глутамино- минирующих последовательностей и НА вакцинных
вая кислота, F,Phe – фенилаланин, G,Gly – глицин, штаммов для эпидсезонов 2017–2019 гг. по рас-
H,His – гистидин, I,Iso –изолейцин, K,Lys – лизин, пределению числа штаммов по интервалам разли-
L,Leu – лейцин, M,Met – метионин, N,Asn – аспа- чий их первичных структур от них.
рагин, P,Pro – пролин, Q,Gln – глутамин, R,Arg – ар- Этапы построения доминирующей последовательно-
гинин, S,Ser – серин, T,Tre – треонин, V,Val – валин, сти НА описаны в разделе «Методы», и на рисунке 1 пред-
W,Try – триптофан, Y,Tyr – тирозин. ставлен ее короткий фрагмент для выборки штаммов
Для обозначения нуклеиновых оснований ис- H3N2 эпидсезона 2017–2018 гг. Последовательность
пользуется следующая аббревиатура: А – аденин, строилась по штаммам, циркулировавшим с 1 октября
Эпидемиология и Вакцинопрофилактика. Том 19, № 2/Epidemiology and Vaccinal Prevention. Vol. 19, No 2
G – гуанин, C – цитозин, Т – тимин, Х – любое 2017 г. по 1 февраля 2018 г.
основание. В полном варианте рисунка 1 спрессована ин-
формация об изменчивасти первичной структуры
Результаты и обсуждение НА всех отфильтрованных штаммов эпидсезона.
Цель прогнозирования на первом уровне состо- Сравнение их по нескольким эпидсезонам служит
яла в построении оптимальных структур (домини- ценным источником информации как для первого,
рующих последовательностей) НА подтипов H1N1 так и второго уровней прогнозирования изменений
Рисунок 1. Фрагмент доминантной последовательности гемагглютинина для штаммов Н3N2 эпидсезона
2017/2018 гг.
Figure 1. Fragment of the dominant hemagglutinin sequence for strains H3N2 of the epidemiological season 2017/2018
7Проблемные статьи
Problem-Solving Article
доминирующей последовательности. Первый вер- вакцин и их испытания. Циркулировавшие
тикальный ряд аминокислот на рисунке 1 являет- же в промежутке с февраля по октябрь 2018 г.
ся последовательностью НА вакцинного штамма, штаммы вируса гриппа не учтены в рекомендациях
рекомендованного ВОЗ (A/Hong Kong/4801/2014 ВОЗ, и в них за этот период возможны изменения,
(H3N2), представлен для сравнения), второй вер- которые могут полностью опрокинуть прогнозы,
тикальный ряд аминокислот – собственно сама сформулированные комитетом ВОЗ ранее (в фев-
построенная доминирующая последовательность рале 2018 г.). Такой регламент принятия рекомен-
НА, параллельно ей, правее – «скелет» молеку- даций ВОЗ объясняется длительностью процесса
лы с расположением инвариантных (представле- производства и испытания новой вакцины.
ны обозначениями аминокислот) и вариабельных Штаммы, выделенные в текущем эпидсезоне
(представлены точками) сайтов. За последними 2018–2019 гг. (с 1 октября 2018 г. по 1 февраля
следует горизонтальный ряд всех замещающих 2019 г.), используются нами не только для про-
аминокислот, обнаруженных в этих позициях НА гнозирования доминирующей последовательности
у разных штаммов, с указанием (в скобках) для каж- НА на будущий эпидсезон 2019–2020 гг, но и для
дой аминокислоты частоты ее встречаемости. оценивания ранее спрогнозированной для него
Строилась доминирующая последовательность доминирующей последовательности НА по дан-
НА вставлением в цепь с инвариантными блока- ным эпидсезона 2017–2018 гг. Такая же двойная
ми доминантной аминокислоты из приводимого параллельная оценка прогнозирования осущест-
горизонтального ряда замещающих аминокислот. влялась для каждого эпидсезона и по вакцинным
Особенность распределения встречаемости за- штаммам, рекомендованным ВОЗ. Соответственно
мен – резкие различия их частот. Условно их мож- в таблице 1 для каждого эпидсезона и для доми-
но разделить на доминантные, промежуточные нирующей последовательности НА, и для штаммов,
и минорные. В ряду замещающих аминокислот до- рекомендованных ВОЗ, приводится оценка про-
минантные (их частота встречаемости > 100, если гнозирования, выполненного для текущего эпид-
исходная выборка включает > 100 штаммов) пре- сезона по данным прошлого эпидсезона, и оценка
имущественно единственные. Но нередко выявля- прогнозирования на будущий эпидсезон по данным
ются позиции с двумя (позиция 108, см. на рис. 1) текущего эпидсезона. Такое двойное параллельное
и даже с тремя доминантными аминокислотами. сравнение позволяет выявить эффективность раз-
К минорным аминокислотным заменам условно ных подходов прогнозирования.
Эпидемиология и Вакцинопрофилактика. Том 19, № 2/Epidemiology and Vaccinal Prevention. Vol. 19, No 2
отнесены те, частота встречаемости которых ва- Сопоставление показателей для НА Н1 по до-
рьирует от 1 до 10. Промежуточные по частоте минирующей последовательности и штамму,
замены исчисляются десятками, они нередки, и их рекомендованному ВОЗ, свидетельствует о пре-
важно учитывать при характеристике антигенного восходстве доминирующей последовательности
спектра штаммов в эпидсезоне. Уточнения по вы- в обоих последних эпидсезонах: она более близ-
бору аминокислоты в варьирущей позиции можно ка, чем штамм, рекомендованный ВОЗ, к структу-
дополнить, используя ограничения по встречаемо- ре НА циркулировавших штаммов и существенно
сти дуплетов аминокислот в НА. Такие уточнения отличается в отражении сдвигов в распределении
особенно полезны в случае встречаемости в ряду штаммов по интервалам А, Б и В в эпидсезоне.
замен соответствующей позиции молекулы НА Рекомендованный ВОЗ (по данным эпидсезона
двух доминантных замен либо, когда помимо до- 01.10.2017 – 01.02.2018 гг.) вакцинный штамм
минантной замены, имеются замены с промежу- на эпидсезон 01.10.2018 – 01.02.2019 гг.
точной частотой, служащие свидетельством того, A/Michigan/45/2015 (H1N1) очень слабо отразил
что в текущем эпидемическом сезоне преобладают сдвиг в распределении штаммов по интервалам А,
несколько социркулирующих штаммов. Б и В в эпидсезоне 01.10.2018 – 01.02.2019 гг.,
Для лучшего понимания приведенных в табли- в то время как соотнесение доминирующей по-
це 1 данных по периодам необходимо дать краткое следовательности эпидсезона 01.10.2017 –
описание схемы регулярной подготовки к предстоя- 01.02.2018 гг. к штаммам иллюстрирует резкое
щему эпидсезону гриппа, проводимой ВОЗ, и пояс- изменение представленности циркулирующих
нить, какие неопределенности связаны с выбором штаммов эпидсезона 01.10.2018 – 01.02.2019 гг.
вакцинного штамма конкретно на примере сезо- по всем интервалам различий. Чтобы раскрыть при-
нов 2017–2018 гг. и 2018–2019 гг. Выбор комите- роду различий, выявляемых вакцинным штаммом
том ВОЗ вакцинных штаммов для эпидемического и доминирующей последовательностью, в послед-
сезона 2018–2019 гг. (условно назовем его как ней были охарактеризованы изменения структу-
«текущий») в северном полушарии утверждался ры от эпидсезона 01.10.2016 – 01.02.2017 гг.
в феврале 2018 г на основе анализа циркулиро- к эпидсезону 01.10.2018 – 01.02.2019 гг. (табл. 2),
вавших штаммов в 2017–2018 гг. (его временные что невозможно было проделать с НА вакцин-
границы для выделения штаммов и секвенирова- ных штаммов, поскольку один и тот же вакцин-
ния их НА по регламенту определены с 1 октября ный штамм A/Singapore/INFIMH-16-0019/2016
2017 г. по 1 февраля 2018 г.), а затем до 30 сен- (H3N2) был рекомендован ВОЗ на оба последних
тября 2018 г. шел активный процесс производства эпидсезона.
8Проблемные статьи
Problem-Solving Article
Таблица 2. Сравнение доминирующих последовательностей НА смежных эпидсезонов по возникшим в них
изменениям
Table 2. Comparison of the dominant sequences of HA adjacent epidseasons for the changes in them
Сравниваемые сезоны Изменения в ДП
Σ
Compare seasons Changes
Н1
Идентичны
ДП 2015/2016 – ДП 2016/2017 0
Are identical
ДП 2016/2017 – ДП 2017/2018 S91R, S181T, I312V 3
ДП 2017/2018 – ДП 2018/2019 S200P 1
Н3
ДП 2015/2016 – ДП 2016/2017 N137K N187K I422V G500E 4
ДП 2016/2017 – ДП 2017/2018 K137N T147K R158K K187N R277Q V422I E500G 7
ДП 2017/2018 – ДП 2018/2019 E 78G K108R N137K K158G N187K Q277R H327Q I422V G500E 9
В таблице 2 можно видеть, что в доминирую- последовательности эпидсезона 01.10.2018 –
щей последовательности эпидсезона 01.10.2018 – 01.02.2019 гг. не являются мутациями, а прояви-
01.02.2019 гг., по сравнению с таковой эпидсезона лись в ней в результате смены доминировавших
01.10.2017 – 01.02.2018 гг., произошло 9 замен, штаммов на штаммы, имевшие ранее в соответ-
из которых 6 являются (выделены курсивом) ревер- ствующих позициях аминокислоты с промежуточной
сиями тех же позиций доминирующих последова- частотой встречаемости, что отражено на рисунке 2.
тельностей двух предшествующих ей эпидсезонов. В левом столбце его – перечень тех 9 позиций ами-
Поскольку доминирующая последовательность яв- нокислот эпидсезона 01.10.2018 – 01.02.2019 гг.,
ляется прообразом штаммов с доминирующими в которых произошли замены после эпидсезона
аминокислотами в НА и не отражает штаммы, на- 2017–2018 гг. (см. табл. 2), а правее расположе-
Эпидемиология и Вакцинопрофилактика. Том 19, № 2/Epidemiology and Vaccinal Prevention. Vol. 19, No 2
пример, те, в структуре НА которых аминокислотные ны позиции тех же аминокислот в доминирующих
замещения с промежуточной частотой встречаемо- последовательностях соответственно эпидсезо-
сти, естественно возник вопрос: порождены ли из- нов 2017–2018 и 2016–2017 гг. Примечательно,
менения в доминирующей последовательности что выборки штаммов H3N2 эпидсезонов 2016–
эпидсезона 2018–2019 гг. новыми мутациями либо 2017 и 2017–2018 гг., но не более поздние, со-
они являются следствием перераспределения держали в своем составе штаммы, НА которых
в доминировании теми циркулировавшими штам- практически были не отличимы от доминирующей
мами, у которых в измененных позициях были последовательности 01.10.2018 – 01.02.2019 гг.
аминокислоты с промежуточной частотой встречае- В последнем произошло лишь перераспределение
мости? Оказалось, что все 9 замен в доминирующей ролей штаммов предшествующих ему двух сезонов.
Рисунок 2. Сравнение вариабельных позиций доминирующих последовательностей НА трех эпидсезонов
Figure 2. Comparison of the variable positions of the dominant НА sequences of three epidemic seasons
9Проблемные статьи
Problem-Solving Article
Сходная с H3N2 ситуация выявлена и для штам- Штамм A/Singapore/INFIMH-16-0019/2016 (H3N2),
мов подтипа H1N1, для которого свойственно, рекомендованный в качестве вакцинного на эпид-
как видно из таблицы. 2, значительно меньшее сезон 2018–2019 гг., также отличался от боль-
изменение доминирующей последовательности. шинства циркулирующих в нем штаммов по трем
Обобщая, можно предположить, что на протяже- позициям 137, 158 и 78 соответственно в антиген-
нии трех последних эпидсезонов циркулировали ных кластерах А, В и Е. У вакцинного штамма в этих
с разной частотой встречаемости преимуществен- позициях соответственно аминокислоты аспара-
но одни и те же штаммы, порождая разные сце- гин, аргинин и глутаминовая кислота, а у большин-
нарии доминирования и формируя иммунитет ства штаммов эпидсезона – соответственно лизин,
у населения. Поэтому на третий год их циркуляции глицин и лизин, т.е. имеет место резкое различия
потенциал воспреимчивости к ним населения бу- по этим позициям в антигенных кластерах.
дет уже сниженным и раньше на спад пойдет вол- Что касается рекомендованного ВОЗ в каче-
на эпидемии 2018–2019 гг., что было отмечено стве вакцинного штамма на эпидсезон 2019–
ВОЗ по северному полушарию на 6 и 7 недели 2020 гг. A/Brisbane/02/2018 (H1N1) вместо
2019 г. и системой надзора за гриппом в России. A/Michigan/45/2015 (H1N1), то при сравнении
Не исключен сценарий возникновения второй вол- близости циркулирующих штаммов (распределе-
ны эпидемии после наблюдаемого сейчас ее спада ние по интервалам А, Б и В, см. табл. 1) к ним
из-за выдвижения в доминирующие других цир- обоим и к доминирующей последовательности НА
кулирующих штаммов. Особенности статистики на эпидсезон 2019–2020 гг., выбор ВОЗ штамма
встречаемости аминокислот в вариабельных по- A/Brisbane/02/2018 (H1N1) оказывается худшим,
зициях НА Н3 штаммов эпидсезона 2018–2019 гг. чем сохранение в качестве вакцинного штамма
проявляются в существовании в НА 8 позиций, A/Michigan/45/2015 (H1N1). По максимальной
которым соответствуют 2 доминирующие амино- близости к доминирующей последовательности
кислоты, и 17 позиций, доминирующим аминокис- НА на 2019–2020 гг. кандидатами в вакцинный
лотам которых сопутствуют замены аминокислот штамм по подтипу H1N1 можно было бы реко-
с промежуточной частотой встречаемости, т.е. нет мендовать следующие штаммы: A/Anhui-Yian/
недостатка в возникновении разных сценариев SWL1863/2018 (H1N1), A/Iran/137742/2018
доминирования среди циркулирующих штаммов, (H1N1) и A/Pays_de_Loire/2779/2018 (H1N1).
в том числе и варианта социркуляции в сезоне не- Сам штамм A/Brisbane/02/2018/H1N1 отлича-
Эпидемиология и Вакцинопрофилактика. Том 19, № 2/Epidemiology and Vaccinal Prevention. Vol. 19, No 2
скольких доминирующих штаммов, что, вероятно, теся от доминирующей последовательности НА
и породило неопределенность для своевременно- Н1 2019–2020 гг. по четырем позициям: R62G
го (в феврале 2019 г.) принятия комитетом ВОЗ Q240R P299A I315V. По тому же самому крите-
по гриппу рекомендации по вакцинному штамму рию кандидатами в вакцинный штамм по подтипу
подтипа H3N2 на сезон 2019–2020 гг. Глобальное H3N2 можно было бы рекомендовать следующие
по северному полушарию снижение волны эпиде- штаммы:
мии гриппа на 6–7 неделях 2019 г. и быстрый темп • A/Yunnan-Mengzi/1969/2018(H3N2),
ослабления эпидемии гриппа в северном полуша- • A/Finland/972/2018 (H3N2),
рии вряд ли можно объяснить только эффектом • A/Minnesota/54/2018 (H3N2),
предшествующей вакцинации населения, игнори- • A/Brest/041/2019 (H3N2),
руя сдвиги в доминировании циркулирующих штам- • A/Baden-Wuerttemberg/2/2019 (H3N2),
мов вируса гриппа. • A/Ulyanovsk/1V/2018 (H3N2),
Подтверждением неоптимального выбора • A/Switzerland/293/2018 (H3N2).
ВОЗ вакцинного штамма A/Michigan/45/2015
(H1N1) на эпидсезон 2018–2019 гг. служит ана- Для нового рекомендованного ВОЗ на эпидсе-
лиз позиций аминокислот, входящих в состав зон 2019–2020 гг. штамма A/Kansas/14/2017/
антигенных сайтов НА Н1. Среди них имеются 2 по- H3N2 (дата публикации ВОЗ была отсрочена на ме-
зиции (91 и 181), в которых у A/Michigan/45/2015 сяц) характерны наихудшие за исследованный
(H1N1) по сравнению с большинством циркулиро- нами период (2013–2019 гг. [3]) показатели соот-
вавших в эпидсезоне штаммов, находятся минор- ветствия циркулирующим в эпидсезоне штаммам
ные замены. Особенно сильное несоответствие вируса гриппа (см. табл. 1), что еще раз подчерки-
по 91-й позиции, где находится серин, свойствен- вает предпочтительность использования домини-
ный лишь малой доле циркулировавших в эпид- рующих последовательностей НА для оптимизации
сезоне штаммов, в то время как у подавляющего прогнозирования вакцинных штаммов на предсто-
числа штаммов в этой позиции аргинин. Для более ящие эпидсезоны.
углубленного анализа следует также принимать Завершая рассмотрение первого уровня про-
во внимание и изменения в позициях аминокис- гнозирования штаммов вируса гриппа, хотелось
лот, соседствующих с антигенным сайтом. Замены бы подчеркнуть его актуальность для построения
в них на аминокислоты, изменяющие вторичную оптимальной первичной структуры НА вакцинных
структуру белка, также способны оказывать влия- штаммов, максимально близкой к НА циркули-
ние на структуру антигенного сайта. рующих в эпидсезоне штаммов вирусов гриппа,
10Проблемные статьи
Problem-Solving Article
и минимизацию рисков принятия неоптимальных антигенным сайтам НА, то прогнозирование их из-
рекомендаций по составу вакцин, неизбежных при менений и поиск в них инвариантов представ-
ориентации не серологические данные из-за вы- ляется наиболее существенным. По изменениям
рожденности иммунного узнавания. На этом уровне антигенных сайтов НА Н1 накоплена наиболее
происходит фильтрация штаммов для последующе- обширная информация, поэтому в данной публи-
го анализа и выявление штаммов с аномальной кации мы ограничим второй уровень прогнозиро-
структурой НА для более детального сравнения вания только НА H1.
их внутренних белков с таковыми пандемических Известно, что НА Н3 более подвержен изме-
штаммов. нениям, чем НА Н1, что объясняется прежде все-
Для второго уровня прогнозирования необхо- го строгим ограничением в трансляционном коде
дим анализ у НА подтипов H1N1 и H3N2 как ин- гена НА Н1. Оно заключается в исключении в нем
вариантных, так и часто мутирующих позиций их квартета (CGА, CGG, CGC и CGT) триплетов, коди-
первичной структуры. Предложенный конструкт рующих аргинин, и соблюдается в H1, выделенных
(см. рис. 1) – доминирующая последовательность с 1918 г. по настоящий время (рис. 3).
НА, его инвариантный остов с численным составом С целью подтверждения этой уникально-
заменяющих аминокислот в варьирующих позици- сти трансляционного кода Н1 нами были про-
ях – как компактное представление информации анализированы более сотни штаммов H1N1,
о НА всей совокупности щтаммов эпидсезона по- и отклонений от этой консервативной характери-
зволяет более глубоко, чем данные серологическо- стики Н1 не выявлено. Сопоставление трансля-
го анализа, вникнуть в особенности изменений НА ционного кода штаммов A/SouthCarolina/1/18
и прослеживать их по нескольким эпидсезонам, и A/California/66/2017 свидетельствует не только
определяя: о сохранении у них общей уникальности по коди-
• позиции аминокислот, в которых произошли из- рованию аргинина, но и о близости по численным
менения; пропорциям использования триплетов остальных
• какие аминокислоты вовлечены в замены; аминокислот.
• у какого количества штаммов произошли за- Для других подтипов НА свойственна иная кар-
мещения данной аминокислотой и принад- тина исключения триплетов из трансляционного
лежность вариабельной позиции антигенным кода, т.е. элиминация из трансляционного кода
сайтам. генов триплетов разных аминокислот, в том чис-
Эпидемиология и Вакцинопрофилактика. Том 19, № 2/Epidemiology and Vaccinal Prevention. Vol. 19, No 2
ле и триплетов аргинина, не является привилеги-
Поскольку определяющая роль в формиро- ей только подтипа H1N1, но полная элиминация
вании популяционного имунитета принадлежит из трансляционного кода квартета триплетов
Рисунок 3. Трансляционный код гемагглютининов Н1N1 пандемических штаммов
Figure 3. The translation code of the H1N1 pandemic strain hemagglutinins
11Проблемные статьи
Problem-Solving Article
одного и того же корня для аргинина, сохраняю- хронологической представленности Н1 отчетли-
щаяся, по-видимому, более столетия, свойственна во проявляются общие показатели особенностей
лишь для НА подтипа H1N1. его антигенных сайтов и несомненное проявление
Следствием элиминации из трансляционного их консерватизма почти за столетие эволюции Н1.
кода мРНК НА Н1 являются ограничения в изме- Аминокислотные последовательности на ри-
нении первичной структуры самого НА Н1, которые сунке 4 разграничены по пептидным фрагментам
связаны с сужением вариантов мутирования тех Н1, составляющим четыре антигенных сайта: Sa,
кодонов в таблице генетического кода (см. рис. 3), Sb, Ca Cb. (Их общепринятая для Н1 аббревиатура
которые находятся на одной вертикали или го- S и C происходит соответственно от английских
ризонтали с квартетом триплетов CGА, CGG, CGC слов «strain-specific» и «common»). Суммарная дли-
и CGT и представляют соответственно 8 амино- на антигенных сайтов составляет 51 аминокислоту.
кислот (цистеин, триптофан, серин, глицин, про- Все антигенные сайты, за исключением Sb(201-
лин, лейцин, гистидин и глутамин) и сам аргинин, 212), являются короткими пептидами, формируя
т.е. охватывая почти половину аминокислот, вхо- пространственные эпитопы в Н1. Sb(201-212)
дящих в состав белков. Это ограничение усилива- по своим размерам потенциально может служить
ется и тем фактом, что большинство мутаций в НА линейным эпитопом. Поскольку в тримерном ком-
Н1 реализуется через транзиции, они изофункци- плексе Н1 все антигенные сайты расположены
ональные и одноступенчатые (с заменой в первом на поверхности его головки, то в них преоблада-
либо во втором основании кодона), а также за- ют соответственно полярные/гидрофильные ами-
претами соседствования аминокислот в первич- нокислоты. Вставки же гидрофобных аминокислот
ной структуре НА Н1, налагаемыми его вторичной обеспечивают связь антигенных сайтов с ядром
и третичной структурами. тримерного комплекса НА. Единственный остаток
На рисунке 4 в хронологическом порядке пред- цистеина отмечен лишь в антигенном сайте штам-
ставлены аминокислотные последовательности ан- ма А/Bellamy/1942, который не возникал вновь
тигенных сайтов Н1 штаммов H1N1 1918–2009 гг. более 70 лет. Отсутствуют в антигенных сайтах Н1
Численный состав использованных нами штаммов метионин и триптофан. Поскольку на квартет три-
определялся ограниченностью информации по ним плетов с корнем ТGX, где Х – любое нуклеино-
до начала текущего столетия, в частности, из-за вы- вое основание, приходятся цистеин, стоп-кодон
теснения вируса H1N1 из циркуляции, особенно и метионин (см. рис 3), то на уровне мРНК Н1,
Эпидемиология и Вакцинопрофилактика. Том 19, № 2/Epidemiology and Vaccinal Prevention. Vol. 19, No 2
в периоды пандемий 1957 и 1968 гг. в участках кодирования антигенных сайтов, наря-
Вплоть до разработок методов нового поко- ду с триплетами CGХ, кодирующих аргинин, эли-
ления секвенирования генома, ставших широко минированы также триплеты ТGХ. Таким образом,
доступными лишь в текущем десятилетии, количе- с учетом отсутствия в антигенных сайтах также
ство штаммов Н1N1 с секвенировнным геномом триптофана в последовательностях мРНК Н1, ко-
или с установленной первичной структурой Н1, дирующих антигенные сайты, запрещены триплеты
выделенных до пандемии гриппа 2009–2010 гг., CGХ, ТGХ и АТG, и они соответственно ограничива-
весьма ограничено. Количество секвенировнных ют потенциал вариабельности антигенных сайтов,
геномов штаммов Н1N1 настолько мало, что они что следует учитывать Н1 при прогнозировании
не охватывают даже каждое десятилетие после возможных изменений. Важным дополнением для
пандемии гриппа 1918 г., и невозможно устано- прогнозирования второго уровня может служить
вить их предшественников. Однако даже в бедной перечень запрещенных дуплетов аминокислот
Рисунок 4. Антигенные сайты НА Н1 некоторых штаммов с 1918 по 2009 гг.
Figure 4. Antigenic sites НА H1 some strains from 1918 to 2009
12Проблемные статьи
Problem-Solving Article
по субъединице НА1, в которой локализуются анти- на практике успешно используются более 10 лет
генные сайты штаммов подтипа. пентавалентная и гексавалентная вакцины.
Число позиций в НА с вариабельным составом Завершая рассмотрение второго уровня про-
аминокислот у циркулирующих в эпидсезоне штам- гнозирования штаммов вируса гриппа, отметим,
мов может составлять 200–300 и даже более, что антигенным кластерам НА Н3 свойственны дру-
но для прогнозирования мало значимы те из них, гие инварианты. Полученные в результате анали-
в которых зарегистрированы минорные замены. за штаммов вирусов гриппа в эпидсезонах с 2012
Игнорирование их сильно сокращает список пози- по 2019 гг. данные дают основание полагать, что
ций (до 20–30), в которых потенциально возможна в текущем и в предшествующих ему двух эпидсе-
смена доминирующей аминокислоты. Как показа- зонах среди множества штаммов предсуществуют
но выше (см. рис. 2), чаще всего в новом эпидсезо- те, которые станут доминирующими в последующем
не доминирующими в той или иной вариабельной эпидсезоне и доминирующая последовательность
позиции являются те аминокислоты в ряду заме- НА текущего эпидсезона позволяет с высокой ве-
няемых, которые в предшествующем эпидсезоне роятностью охарактеризовать потенциальный
имели промежуточную частоту замещения. Их мно- тренд в предстоящем эпидсезоне. Возможность на-
гократное возникновение у штаммов служит сви- дежного прогнозирования (на 2–3 года вперед)
детельством, что они могут быть альтернативой изменений антигенных сайтов с помошью скры-
для смены доминирующей аминокислоты без на- той марковской модели лимитируется недостаточ-
рушения функции НА, особенно тогда, когда часто- ной пока информацией о влиянии особенностей
та их возрастает от одного эпидсезона к другому. метеорологических показателей на развитие
Эта смена ролей между доминирующими и «про- эпидсезонов и немногочисленной еще последо-
межуточными» аминокислотами в вариабельной вательностью эпидсезонов с достаточно большой
позиции определяется, по-видимому, влиянием выборкой штаммов с секвенированным геномом,
метеорологических особеннойстей эпидсезона чтобы построить матрицы перехода из одного со-
и сдвигами в формирующемся к циркулирующим стояния в другое, как и вероятности сохранения
штаммам популяционном иммунитете. начального состояния [4].
Изменения антигенных сайтов НА Н1 в доми- Проблему предсказания возникновения пан-
нирующих последовательностях с 2012 по 2019 гг. демий и связанных с ней вопросов (что?, где?
немногочислены [3], и обращаясь к данным про- и когда?), рассматриваемых на третьем уровне про-
Эпидемиология и Вакцинопрофилактика. Том 19, № 2/Epidemiology and Vaccinal Prevention. Vol. 19, No 2
гнозирования первого и второго уровней, следует гнозирования, можно переформулировать, пытаясь
помнить, что доминирующая последовательность ответить на вопрос, имеются ли у белков штаммов
каждого эпидсезона, как и любой рекомендован- вирусов гриппа минувших пандемий общие харак-
ный ВОЗ вакцинный штамм, не отражает всего теристики («молекулярные образы»), по которым
многообразия антигенных сайтов циркулирующих можно было бы распознать пандемические штам-
штаммов (она важна для выбора единственного мы. С этой целью нами были проанализированы
кандидата) и не способна обеспечить максималь- внутренние белки 5 пандемических штаммов (по
ную эффективность вакцинации. Одним из выходов одному для каждой пандемии), составивших обу-
из этой ситуации могло бы быть включение в вак- чающую выборку: нуклеопротеин NP, матриксные
цину дополнительных штаммов по каждому подтипу белки М1 и М2, белки полимеразного комплекса
вируса (особенно по H3N2), что, конечно, усложнит РВ1, РВ2 и РА, неструктурный белок NS2; из-за
ее состав и производство. Такое усложнение соста- вариабельности длины неструктурный белок NS1
ва гриппозной вакцины не следует рассматриать был исключен из анализа. Путем сравнения амино-
как экстраординарное в вакцинологии, поскольку кислотных последовательностей внутренних белков
Рисунок 5. Пример построения матрицы инвариантности первичной структуры для белка М2 пандемических
штаммов
Figure 5. An example of constructing the matrix of invariance of the primary structure for M2 protein of pandemic strains
13Проблемные статьи
Problem-Solving Article
пяти пандемических штаммов обучающей выбор- В таблице 3 в качестве иллюстрации представ-
ки для каждого белка выводили матрицу инвари- лены различия по МИПС семи внутренних белков
антности первичной структуры (МИПС) внутренних шести непандемических штаммов вирусов гриппа
белков пандемических штаммов. Пример постро- А. Видно, что от штамма к штамму отличия по МИПС
ения МИПС показан на М2 белке на рисунке 5. по каждому внутреннему белку заметно варьируют.
Его верхние 5 строк представлены первичными Если учесть сильные различия между внутренними
структурами белка М2 пяти пандемических штам- белками по длине, то самыми консервативными
мов обучающей выборки. Из них выводится МИПС являются белки полимеразного комплекса.
М2 (строка 6), в которой обозначены только строго «Молекулярные образы» пандемических штам-
консервативные позиции аминокислот, а точками мов, представленные комплексом инвариантностей
показаны позиции заменяемых аминокислот у раз- первичных структур внутренних белков, позволя-
ных пандемических штаммов. Последние, как пра- ют правильно распознавать все пандемические
вило, являются изофункциональными по размеру, штаммы и исключить непандемические штаммы.
гидрофобности или заряду. Ниже матрицы инвари- Пандемические штаммы, разделенные по их воз-
антности М2 представлены первичные структуры никновению десятками лет и отличающиеся соста-
М2 птичьих штаммов H5N1 A/Indonesia/5/2005, вом подтипов НА и NA (Н1, Н2, Н3 и N1,N2), имеют
H7N9 A/Fujian/02151/2017 и H9N2 A/chicken/ сильное сходство по внутренним белкам, образуя
Anhui/2017 (соответственно строки 7–9), вызы- особое подмножество, от которого на разных рас-
вающих тревогу из-за потенциальной опасности стояниях «отдалены» непандемические штаммы.
трансформации их в пандемические. Метод был МИПС отдельных белков составляют совокупный
разработан нами ранее [6], и в данной статье мы инвариантный паттерн внутренних белков пандеми-
вновь вернулись к проблеме угрозы возникно- ческих штаммов вируса гриппа А. По суммарному
вения пандемий гриппа, виновниками которыми показателю наиболее удалены от пандемических
могли бы стать птичьи подтипы вируса гриппа, ана- штаммов штаммы H7N9 A/Fujian/02151/2017
лизируя характеристики их новых циркулирующих и H9N2 A/chicken/Anhui/2017. Среди птичьих штам-
штаммов. мов H7N7/A/Netherlands/219/03 ближе всего
Сравнение МИПС с первичными струк- к пандемическим штаммам. В первом приближе-
турами белков вирусов гриппа штаммов нии такая близость должна настораживать, но ни
контрольной выборки проводилось только по кон- одна из пяти последних пандемий, как известно,
Эпидемиология и Вакцинопрофилактика. Том 19, № 2/Epidemiology and Vaccinal Prevention. Vol. 19, No 2
сервативным позициям. Как видно на рисунке 5, не была ассоциирована по времени с эпизоотией
в случае белка М2 у H5N1A/Indonesia/5/2005 у домашних или перелетных птиц. Хотя для гриппоз-
имеются отличия (они подчеркнуты) по двум, ной инфекции видовые барьеры низки, различия
у H7N9 A/Fujian/02151/2017 и H9N2 A/chicken/ человеческих и птичьих вирусов гриппа по домини-
Anhui/2017 по 5 позициям. Распознавание виру- рованию у них разных подтипов НА и NА, как и осо-
са гриппа А на основе МИПС позволило успеш- бенности первичных структур их внутренних белков,
но идентифицировать в контрольной выборке все служат высоким барьером для трансмиссии птичьих
пандемические штаммы и подтвердило, что пан- вирусов от человека человеку и последующей про-
демические штаммы являются наиболее близкими дуктивной инфекции [8]. Эти особенности, возмож-
по родству их внутренних белков. но, не все еще распознаны.
Таблица 3. Отличия по числу аминокислот внутренних белков некоторых штаммов вируса гриппа от матриц
инвариантности пандемических штаммов
Table 3. Differences in the number of amino acids of the internal proteins of some strains of the influenza virus from the
matrix of invariance of pandemic strains
14Проблемные статьи
Problem-Solving Article
В предпринятом нами анализе пандемических штамма, при условии, что в природе возникнове-
штаммов были использованы только «явные» вну- ние пандемических штаммов вирусов гриппа А
тренние белки. Возможно, что другие белки (PB1-F2, связано с конвергенцией его внутренних белков к
PA-X, M42, NS3,PB2-S1, PB1-N40, PA-N155 и PA- выявленным нами инвариантам пандемичности?
N182), транслируемые в результате сдвига рамки Это условие у вируса пандемии 2009 г. прояви-
считывания или сплайсинга и обладающие мощны- лось, и, следовательно, используя описываемые
ми иммуномодулирующими свойствами и опреде- нами подходы распознавания ПШ, пандемию
ляющие соответственно вирулентность вирусов 2009–2010 гг. можно было предсказать на самой
гриппа, дополнят и еще более усилят критерии вы- ранней ее стадии [6].
явления ПШ. Как показали новые исследования, Другой вопрос: может ли каждый птичий ви-
у вируса гриппа трансляции подвергаются также и рус гриппа А, способный инфицировать людей,
(-)РНК NA [9], а ранее была высказана гипотеза о су- приобрести пандемичность через последователь-
ществовании белка NEG8, закодированного в (-)РНК но генерируемые изменения фрагментов генома,
NS гене [10]. Они послужили поводом для биоинфор- не лимитированные структурными или функцио-
мационного скрининга всех 8 (-)РНК вирусов гриппа нальными эволюционными ограничениями, или же
на наличие в них последовательности Козак CCG/ пандемические вирусы являются редкими образо-
ACCAUG, которая рассматриваются как распростра- ваниями, сложная констелляция фрагментов гено-
ненная у эукариот область инициации трансляции, ма которых не может быть сформирована, кроме
и для анализа аминокислотной последовательности, как посредством редких и пока неясных механиз-
стартующей с этой области инициации трансляции. мов? [6]. Изначально озабоченность исследовате-
В результате было выявлено, что ген РВ2 у подтипов лей была вызвана вирусом Н5N1. Модификации
H1N1, H2N2 и H3N2 является, возможно, носите- птичьих штаммов Н5N1 показали, что обретение
лем информации для белка (обозначенного нами ими трансмиссивности среди экспериментальных
как (-)РВ2-S40) длиною в 40 аминокислот (позиция животных можно достичь разными путями [11, 12].
в гене РВ2 всех штаммов H1N1, H2N2 и H3N2: Однако лабораторные модели часто не приемле-
292-172). У проанализированных нами птичьих мы в самой природе. Сущность формирования пан-
подтипов H5N1, H7N7, H9N2 и H9N7 он отсутству- демичности является более сложной. Выявление
ет. Последовательности (-)РВ2-S40 пандемических у пандемических штаммов инвариантных матриц
штаммов разных подтипов пандемических штаммов их внутренних белков свидетельствует о том, что
Эпидемиология и Вакцинопрофилактика. Том 19, № 2/Epidemiology and Vaccinal Prevention. Vol. 19, No 2
вирусов гриппа представлены на рисунке 6. возникновение пандемичности требует весьма
В гене РВ1 у подтипов H1N1, H2N2, H3N2, строгого консенсуса первичных структур внутрен-
H5N1, H7N7, H9N2 и H7N9 с одной и той же пози- них белков.
ции инициации трансляции in silico кодируются бел- Ведущим механизмом в возникновении пан-
ки разной длины, но у H1N1 A/Brevig Mission/1/18 демических штаммов является реассортация
эта позиция инициации трансляции не выявляется. компонентов генома вируса гриппа, сопровожда-
Безотносительно к функции (-)РВ2-40 в жизнен- емая непрерывно протекающим мутационным
ном цикле вирусов гриппа его консервативность процессом. В природе вирусы репродуцируются
по длине, положению в гене и структуре, а также с континуумом изменений первичных последова-
его отсутствие у птичьих штаммов позволяют рас- тельностей составляющих их белков, и отдельные
сматривать (-)РВ2-40 как возможного кандидата штаммы разных хозяев могут содержать какой-то
в маркеры пандемичности и использовать для бо- из белков, близкий или идентичный соответству-
лее точной идентификации птичьих подтипов виру- ющей МИПС. Такие штаммы вирусов не являют-
сов гриппа. ся редкостью, и наблюдаемая в реальной жизни
Уместен вопрос: можно ли было предска- скоротечная летальность инфицированных – воз-
зать пандемию 2009–2010 гг. и иметь, вместо можно, один из следов их краткого существова-
пяти, четыре штамма пандемий 1918, 1957, ния. Реассортация приводит к возникновению
1968 и 1977 гг., чтобы точно определить при- множества комбинаций генов, и наиболее жиз-
надлежность к пандемическим того или иного неспособными, возможно, оказываются вирионы
Рисунок 6. Последовательности пептидов (-)РВ2-S40 для пандемических штаммов
Figure 6. Peptide (-)PB2-S40 sequences for pandemic strains
15Проблемные статьи
Problem-Solving Article
с констелляцией генов, обеспечивающей наиболь- формирования возможной пандемической опас-
шую близость с МИПС. Появление у реассортан- ности при поддержке открытого международного
тов 2–3 белков с МИПС соответствующих белков сотрудничества [6].
можно было бы рассматривать как возникновение Какое же место прогнозирования в поисках но-
предпандемических штаммов, способных форми- вых вакцин против вируса гриппа? Многообразие
ровать траектории пандемичности. Поскольку пан- подтипов вирусов гриппа и их извечная измен-
демические штаммы обладают наиболее высокими чивость повернули вектор поисков к универсаль-
характеристиками по репродукции и трансмиссив- ным вакцинам, основой которых служат чаще
ности, то приближающиеся к ним предпандеми- всего короткие консервативные фрагменты НА
ческие штаммы будут, вероятно, обладать более или М белка, заключенные в различные по сво-
высокой выживаемостью и способностью высту- ей природе платформы. Характерно, что много-
пать в качестве аттрактора новых реассортаций, образие платформ превосходит множество
обновляя и еще более приближая состав компо- консервативных последовательностей, используе-
нентов их генома к пандемическим штаммам. Этот мых в качестве антигенов. Нет недостатка в изо-
гипотетический сценарий способствует быстрому и бретательности и разнообразии их сочетаний,
неожиданному возникновению штамма с пандеми- экспериментируемых уже на протяжении десятиле-
ческими свойствами, как это случилось с пандеми- тия, как и в недостатке обзоров, их описывающих.
ей 2009 г. [6]. Однако на сегодняшний день универсальная вак-
Если же решать дилемму: являются ли пти- цина против гриппа остается «алхимической меч-
чьи штаммы «отступающим риском или грядущей той» [14]. При скрининге тысяч вирусных штаммов
катастрофой» человечества [8,13], то данные консервативные последовательности оказываются
по распознаванию образов внутренних белков короткими фрагментами. Искатели универсальных
пандемических штаммов свидетельствуют о боль- вакцин против гриппа, как и искатели вакцин про-
шей вероятности первого. В этой связи примеча- тив ВИЧ, столкнулись с «капризами» иммунной си-
тельно, что подтип H7N7/A/Netherlands/219/03 стемы, знания о которой оказались и по сей день
ближе всех по совокупной МИПС к пандемиче- недостаточными, чтобы потеснить методы, создан-
ским штаммам (см. табл. 3), но по прошествии уже ные пастеровской эпохой. Но дело не только в им-
16 лет после его описания, циркулируя в приро- мунной системе – уже в рамках лабораторных
де, он не трансформировался в пандемический испытаний универсальных вакцин возникали му-
Эпидемиология и Вакцинопрофилактика. Том 19, № 2/Epidemiology and Vaccinal Prevention. Vol. 19, No 2
штамм. Инварианты внутренних белков пандеми- танты вируса, резистентные к созданным против
ческих штаммов были описаны нами 5 лет назад них вакцинам [15,16]. Ряд новых вакцин находятся
[6], и на сегодняшний день дистанция их от вну- в стадии клинических испытаний, ждут клиниче-
тренних белков птичьих штаммов еще больше ских подтверждений новые кандидаты в вакцины
возросла. с удивительно широким спектром противовирусной
Завершая обсуждение проблемы прогнозиро- активности [17,18]. Им предстоит пройти длинный
вания возникновения будущих пандемий гриппа, путь к признанию, а сегодня человечество рас-
хотелось бы подчеркнуть, что выполненный нами полагает лицензированными повсюду вакцинами:
анализ позволяет предположить, что пандемиче- инактивированными, субъединичными и живыми.
ские штаммы 1918, 1957, 1968, 1977 и 2009 гг. Исчерпан ли потенциал их соверщенствования?
обрели свой пандемический потенциал конвер- Нет, не исчерпан, и одним из важнейших инстру-
генцией их внутренних белков к пандемическим ментов в увеличении их эффективности является
инвариантам; т.е. пандемический потенциал ви- прогнозирование на основе биоинформатики.
русов гриппа А формировался уникальной ком-
бинацией внутренних белков, которая случайно Заключение
и приближенно воссоздавалась через различ- Рассмотренная нами трехуровневая система
ные промежутки времени, исчисляемые десят- анализа циркулирующих в эпидсезоне штаммов ви-
ками лет. Если эта комбинация молекулярных руса гриппа позволяет, с одной стороны, реализо-
инвариантных паттернов служит фундаменталь- вать оптимальный выбор вакцинных штаммов для
ной основой пандемичности и воспроизводилась эпидсезона, минимизируя риски ошибочных их вы-
ранее в пандемиях минувших столетий, то про- боров (первый и второй уровни прогнозирования,
гнозирование будущих пандемий гриппа не пред- нацеленные на выявление сдвигов в доминиру-
ставляется уже нереальным или недостижимым: ющей группе штаммов в эпидсезонах), а с другой
новое поколение методов секвенирования ну- стороны, отслеживать (третий уровень прогнозиро-
клеиновых кислот позволяет в кратчайшие сроки вания) штаммы с препандемичкским потенциалом,
получать информацию по большому числу цирку- сочетающие в себе резко обновленную структуру
лирующих в природе штаммов, а биоинформатика НА и близость их внутренних белков к матрицам
способна анализировать огромные базы данных инвариантности структурных белков пандемиче-
на различных уровнях, отслеживая и траекторию ских штаммов.
16Вы также можете почитать
