ВВЕДЕНИЕ
Ежегодные циркуляции сезонного гриппа связаны с заболеваниями людей, которые по оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) могут стать причиной от 290000 до 650000 смертельных случаев в мире [1, 2]. Для вируса гриппа описано 4 типа: А, В, С и D, из которых только вирусы типов А и В вызывают сезонные эпидемии. В свою очередь вирусы гриппа А подразделяются на подтипы в зависимости от типа основных поверхностных белков вируса – гемагглютинина (HA) и нейраминидазы (NA). В настоящее время описано 18 подтипов HA (HA1 - HA18) и 11 – NA (N1 - N11), и только два из них – A(H1N1) и A(H3N2) – ответственны за сезонные эпидемии гриппа. Для вируса гриппа В выделяют две основные линии: B/Yamagata и B/Victoria. Большое разнообразие существующих в природе антигенных вариантов вируса гриппа вызвано его быстрой эволюционной изменчивостью [2, 3]. Высокая частота мутаций, возникающих в геноме вируса гриппа, представленном отрицательно полярной одноцепочечной сегментированной РНК, и отсутствие корректирующей активности у вирусной РНК-полимеразы приводят к возникновению большого количества мутаций, определяющих образование нового антигенного варианта. Это явление получило название антигенного дрейфа. Сегментированная структура генома вируса гриппа определяет возможность обмена фрагментами между штаммами одного типа, что приводит к возникновению новых вирусов и называется «антигенный шифт». Отбор жизнеспособных вариантов контролируется естественным отбором.
Основными лицензированными препаратами для профилактики и лечения гриппа А и В на сегодняшний день являются ингибиторы NA – занамивир, осельтамивир, ланинамивир и перамивир [4]. Механизм действия этих препаратов основан на блокировании функции вирусной NA, что, в свою очередь, ведет к ограничению распространения вируса в дыхательных путях [5]. Перамивир и ланинамивир отличаются более длительным действием, чем осельтамивир или занамивир [6, 7]. Однако лечение больных этими препаратами вызывает образование мутаций в гене NA, которые приводят к образованию и распространению вирусов, резистентных к их действию.
Анализ нуклеотидных последовательностей HA и NA вирусов, выделяемых от больных в разных точках земного шара, широко используется для прогнозирования эволюционной изменчивости вируса гриппа и предсказания появления новых эпидемических штаммов с помощью биоинформатических методов, в частности филогенетического анализа [8]. За последние годы филогенетический анализ стал одной из основных составляющих эпидемиологического надзора, с помощью которого определяют родство и эволюцию вирусов гриппа [9]. Несмотря на то, что сегодня существует много исследований давления отбора на гены вирусов гриппа человека, взаимосвязи между положительно отобранными сайтами, антигенной вариабельностью вируса и чувствительностью к ингибиторам NA до сих пор не выяснены полностью [10-12].
Целью данной работы было определение давления отбора на ген NA вирусов гриппа, выделенных в Украине в период с 2009 по 2015 гг., и идентификация специфических мутаций в гене NA, ассоцииро-ванных с резистентностью к ингибиторам NA.
Основным методом оценки эволюционного давления на белки является определение количественного соотношения частот замен в несинонимических (dN) и синонимических сайтах (dS) [13,14]. Отношение dN/dS количественно определяет давление отбора путем сравнения скорости замен, которые, возможно, подвергаются селекции. Значение отношения dN/dS > 1 в случае, если естественный отбор способствует закреплению изменений в последовательности белка, и dN/dS < 1, если естественный отбор подавляет изменения белка. При значении dN/dS, близком к 1, давление отбора отсутствует. С помощью данного метода мы изучили давление отбора на ген NA вирусов гриппа A человека подтипов A(H1N1)pdm09 и A(H3N2) и вирусов гриппа B двух основных разновидностей – B/Yamagata и B/Victoria, – выделенных в Украине в период 2009-2015 гг. Изучение давления отбора на ген HA не входило в рамки данного исследования.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Вирусы
В работе были использованы изоляты вирусов гриппа эпидемических сезонов 2009-2015 гг. Образцы были получены от больных гриппоподобными заболеваниями (ГПЗ) и тяжелыми острыми респираторными инфекциями (ТОРИ) в виде мазков из носа, носоглотки или ротоглотки. В исследование были включены изоляты вирусов гриппа, полученные из дозорных центров Киева, Одессы, Днепра и Хмельницкого. Определение у пациентов случаев ТОРИ и ГПЗ проводили согласно критериям ВОЗ [15].
Клеточные культуры
В исследовании была использована культура клеток Madin Darby canine kidney (MDCK), полученная из НИИ гриппа имени А. А. Смородинцева (Санкт-Петербург, Россия). Из проб, положительных в ПЦР на вирус гриппа А(H3N2), изоляты выделяли на генетически модифицированной культуре клеток MDCK-SIAT1, полученной из Центров по контролю и профилактике заболеваний (Centers for Disease Control and Prevention, CDC, Атланта, США) [16].
ОТ-ПЦР в реальном времени
Выделение РНК вирусов гриппа осуществляли с использованием коммерческого набора QIAamp® Viral RNA Mini Kit (QIAGEN, Германия) методом, указанным в инструкции производителя. Для постановки ПЦР готовили реакционную смесь по методике, рекомендованной СDC (Атланта, США) для выявления и исследования свиного и сезонных вирусов гриппа (версия 2009) [17]. Для постановки ПЦР использовали набор Ambion AgPath-IDTM One-Step RT PCR Kit и набор праймеров и зондов с двумя метками (Thermo Fisher Scientific, США). Реакцию проводили в 96-луночной системе ПЦР Applied Biosystems real-time PCR 7500 (Thermo Fisher Scientific, США).
Секвенирование генов вирусов гриппа
Секвенирование генов выделенных вирусов гриппа типа А подтипов А(H1N1)pdm09 и А(H3N2) и гриппа типа В было проведено в Центре ВОЗ по гриппу в Лондоне (National Institute for Medical Research, NIMR, Лондон, Великобритания) и в CDC (Атланта, США) [18]. Все полученные нуклеотидные последовательности были депонированы в международной базе данных Global Initiative on Sharing Avian Influenza Data (GISAID, http://platform.gisaid.org/).
Филогенетический анализ
В исследование были включены последовательности NA вирусов гриппа эпидемических сезонов 2009-2015 гг. Всего было проанализировано 375 последовательностей. Из них 142 – последовательности вирусов гриппа типа А подтипа A(H1N1)pdm09, 110 – вирусов гриппа подтипа А(H3N2), 123 – вирусов гриппа типа В (94 – генетической линии B/Yamagata и 29 – генетической линии B/Victoria).
Для выявления мутаций проводили идентификацию и сравнение последовательностей с помощью BLAST-анализа (https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi). Для филогенетического анализа были отобраны украинские и европейские изоляты, выделенные за исследуемый период, а также вакцинные и референс штаммы. Выравнивание последовательностей проводили с помощью алгоритма ClustalW [19]. Филогенетический анализ проводили методом максимального правдоподобия (maximum likelihood, ML) c применением модели Tamura-92 (T92) с аппроксимацией индивидуальных частот сайтов гамма-распределением с бутстреп 1000 репликаций. Построение филогенетических деревьев осуществляли в программе MEGA6 [20, 21]. Финальные деревья были визуализированы с помощью программы FigTree 1.4.2 [22].
Трансляцию нуклеотидных последовательностей осуществляли в программе MEGA6 для выявления аминокислотных замен, приводящих к резистентности в отношении ингибиторов NA: I117V, E119G/V, Q136K, Y155Н, D198G, I222К/R/V, S246N/G, H274Y, N294S – для вирусов гриппа А подтипа A(H1N1)pdm09; E119I (V/D), Q136K, D151E/V I222L, R224K, E276D, R292K, N294S, R371K – для вирусов гриппа подтипа А(H3N2); E119А (G, V, A/D), R152K, D198Е (N/Y), I222Т (V/I), H274Y, R292K, N294S, R371K, G402S – для вирусов гриппа типа В. Нумерацию осуществляли по N2 [23].
Методы исследования давления отбора
Поиск кодонов, находящихся под действием положительной селекции, был проведен на базе сервера Datamonkey (http://www.datamonkey.org/) [24, 25] с использованием нескольких методов: SLAC (single-likelihood ancestor), FEL (fixed-effects likelihood), IFEL (internal branch fixed-effects likelihood), входящих в пакет программ HyPhy сервера Datamonkey. Также были использованы методы FUBAR (fast unconstrained Bayesian approximation) и MEME (mixed-effects model of evolution). Соотношение dN/dS определяли с помощью HyPhy.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Вирусы гриппа A(H1N1)pdm09
В белке NA вирусов гриппа А подтипа A(H1N1)pdm09 были обнаружены мутации, находящиеся под давлением положительного отбора: L40V у четырех изолятов, выделенных в сезон 2012-2013 гг., и L40І в вирусах, циркулировавших в сезоны 2013-2014 и 2014-2015 гг. (Таблица 1, Рис. 1). Следует отметить, что незначительное давление положительного отбора на пандемические вирусы гриппа также регистрировали другие авторы, хотя они определили другие сайты [12].
Тип/ Подтип вируса | dN/dS | Сайты, находящиеся под давлением отбора | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
положительного | отрицательного | |||||
Сайт | Мутация | Сезон, гг. | Всего сайтов | Сайты, изученные 4-мя методами* | ||
A(H1N1)pdm | 0.261 | 40 | L40V | 2012-2013 | 27 | 2 сайта: 395, 439 |
L40І | 2013-2015 | |||||
A(H3N2) | 0.205 | 93 | D93E | 2010-2011 | 58 | 10 сайтов: 106, 107, 128, 182, 296, 306, 364, 427, 432, 449 |
D93G | 2011-2012 | |||||
402 | N402D | 2010-2011 | ||||
В/Yamagata | 0.226 | 74 | L74P | 2014-2015 | 52 | 7 сайтов: 64, 83, 114, 173, 272, 329, 428 L83P |
99 | S99I | |||||
268 | T268K | |||||
В/Victoria | 0.292 | 358 | А358К | 2011-2012 | 17 | 1 сайт: 371 |
288 | Е288Q | 2010-2011 | ||||
455 | L455І |
Сайты изучены методами SLAC, FEL, IFEL FUBAR
В результате филогенетического анализа гена NA вирусов гриппа подтипа A(H1N1)pdm09 был выявлен высокий уровень генетического родства, равный 99%. Все украинские вирусы гриппа были подобны вирусу A/California/07/2009, использованному для приготовления вакцинного штамма.
Хотя украинские изоляты подтипа A(H1N1)pdm09 приобрели уникальные мутации, большинство ами-нокислотных замен было расположено в тех же сайтах, что и у изолятов, выделенных в соседних странах [26-31]. Например, все украинские изоляты эпидеми-ческого сезона 2014-2015 гг. содержали характерную замену I117M и были подобны изолятам, выделенным в таких европейских странах, как Италия, Латвия, Польша, Словакия, Франция и Эстония. Аналогичные вирусы были выделены и в Новой Зеландии [32]. Эти результаты свидетельствуют о том, что изменения, произошедшие в гене NA, не привели к зна-чительным изменениям антигенных свойств NA вирусов гриппа данного подтипа.
Вирусы гриппа A(H3N2)
Для вирусов гриппа A(H3N2) хотя бы одним из методов (FEL, IFEL FUBAR,) было обнаружено два сайта: 93 и 402, находящихся под давлением положительного отбора (Таблица 1).
Украинский изолят A/Ukraine/175/2011 приобрел мутации D93E и D402N и был близок изолятам, выделенным в Беларуси и Эстонии, а также украинским изолятам, выделенным в следующем эпидемическом сезоне. В следующем сезоне замена D93E наблюда-лась только у одного изолята A/Ukraine/5381/2012. Однако в сезон 2012-2013 гг. снова выделилась группа изолятов с заменой D93G. Таким образом, мутация D93E появилась в популяции украинских вирусов гриппа сезона 2010-2011 гг., а в следующем сезоне (2011-2012 гг.) в этом положении наблюдали уже другую аминокислоту (G), но мутация D93G все же закрепилась в популяции украинских вирусов гриппа в сезон 2012-2013 гг. (Рис. 2). Belanov с соавторами охарактеризовали мутацию D93G как один из эволюционных маркеров вирусов гриппа подтипа A(H3N2) [33]. Начиная с сезона 2012-2013 гг., данная мутация присутствовала и в вирусе, использованном для получения вакцинного штамма.
При исследовании последовательностей вирусов, представленных в доступных базах данных (Influenza Virus Resource, IVR и GISAID), была определена еще одна замена, Т267К, рассматриваемая как эволюционный маркер, которая наблюдалась у некоторых украинских изолятов, выделенных в сезон 2014-2015 гг.
В результате филогенетического анализа вирусов гриппа A(H3N2) был выявлен высокий уровень гене-тического родства этих вирусов, равный 98.3%.
Стоит отметить, что в сезон 2013-2014 гг. от одного человека через небольшой промежуток времени было выделено два изолята подтипа A(H3N2) – A/Ukraine/710/2013 и A/Ukraine/728/2013, – которые отличались только одной заменой G401D в гене NA. Аминокислота в этом положении входит в состав антигенного сайта NA [34].
Вирусы гриппа типа В генетической линии B/Yamagata
В ходе исследования вирусов гриппа типа В генетической ветви В/Yamagata под действием давления положительного отбора было обнаружено три сайта: 74, 99, 268 (Таблица 1). Замены T268K, S99I и L74P наблюдались только среди изолятов сезона 2014-2015 гг. При этом изоляты с заменой L74P выделились на филогенетическом дереве в отдельную группу (Рис. 3).
Филогенетический анализ гена NA вирусов гриппа B/Yamagata за исследуемый период показал их высокое генетическое родство, равное 97.5%. Вирусы гриппа, выделенные в Украине за исследуемый период, были подобны вирусам, рекомендованным для приготовления вакцинных штаммов в данном эпи-демическом сезоне.
Также были обнаружены замены, которые теоретически могут влиять на конформацию NA белка. Некоторые украинские изоляты содержали замену в потенциальном сайте гликозилирования (A465T) или в ножке NA (R65H). Кроме того, были обнаружены замены в сайтах Т125К и V71L (петля-120). В вирусах, выделенных в сезон 2013-2014 гг., были обнаружены аминокислотные замены T125K, E148G (петля-150) и D235N (спираль-190) [26]. По данным Центра ВОЗ по гриппу в Лондоне [27], некоторые вирусы гриппа, выделенные в этот сезон, содержали индивидуальные замены, не характерные для украинских изолятов в этом сезоне, а именно T46I, A55T, G70R, E77A, I262T, R295H, A358T и K382R.
Вирусы гриппа типа В генетической ветви B/Victoria
Для вирусов гриппа типа В генетической линии В/Victoria в ходе исследования были обнаружены сайты 358, а также 288 и 455 (IFEL, MEME), подверженные положительному отбору (Таблица 1). В некоторых из этих положений в украинских изолятах, циркулиро-вавших в эпидемический сезон 2010-2011 гг., были обнаружены лишь единичные мутации Е288Q и L455I (Рис. 4). Однако мутация А358К, которая появилась в вирусах, циркулировавших в сезон 2011-2012 гг., наблюдалась у всех изолятов вирусов гриппа типа В генетической линии B/Victoria. Этот результат сви-детельствует о том, что данная замена закрепилась в популяции вирусов гриппа в результате давления положительного отбора. При филогенетическом сравнении генов NA изолятов линии B/Victoria был определен высокий уровень генетического родства, равный 98.4%.
ОБСУЖДЕНИЕ
Постепенное накопление мутаций в гене приводит к изменению структуры кодируемого белка, что, в свою очередь, может привеcти к изменению биологических свойств вируса, таких как скорость распространения, тяжесть вызываемого заболевания, контагиозность, чувствительность к препаратам и т. п. [2]. Исследование случаев и механизмов молекулярной адаптации вируса гриппа является одной из фундаментальных задач эволюционной биологии. Несинонимические мутации закрепляются в популяции чаще, чем синонимические. Когда новые мутации обеспечивают определенные преимущества для белка (вируса), тогда они имеют большую вероятность фиксации. Это явление регулярно наблюдается при эволюции РНК-содержащих вирусов и ведет к изменению поверхностных антигенов вируса гриппа – HA и NA.
В данной работе представлены результаты впервые проведенного в Украине исследования давления отбора на вариабельность белка NA вирусов гриппа человека и появление устойчивости к ингибиторам NA. Изучение последовательностей NA вирусов, выделенных в Украине в период с 2009 по 2015 гг., по-казало, что отношение dN/dS составило 0.261 для NA вирусов гриппа А подтипа A(H1N1)pdm09, 0.205 для NA вирусов подтипа A(H3N2), 0.226 для NA вирусов типа В линии В/Yamagata и 0.292 для NA вирусов линии В/Victoria. Полученные данные свидетельствуют о том, что в этих генах количество синонимических замен преобладает над количеством несинонимических на каждый сайт. То есть, большинство позиций не находятся под действием положительного отбора.
Определенные в данном исследовании значения отношения dN/dS для NA вирусов гриппа разных типов и подтипов хорошо согласуются с данными других авторов. Так, при исследовании NA вирусов гриппа подтипа A(H3N2), выделенных в Германии, отношение dN/dS было равно 0.22 [35], и аналогичное значение было получено при исследовании 1397 вирусов подтипа A(H1N1)pdm09 в Китае [12]. Для вирусов гриппа В линии В/Yamagata при анализе 98 последовательностей NA вирусов, выделенных в Бангкоке, dN/dS было равно 0.20 [36].
Мы установили, что только отдельные сайты в гене NA оказались под давлением положительного отбора: сайт 40 для вирусов гриппа A подтипа A(H1N1)pdm09, сайты 93 и 402 для вирусов гриппа подтипа A(H3N2), сайты 74, 99 и 268 для вирусов гриппа типа B генетической линии B/Yamagata и сайты 358, 288 и 455 для вирусов генетической линии B/Victoria. Указанные сайты не относятся к активному центру, трансмембранному домену или антигенным сайтам NA. Однако в результате давления отбора мутации в этих положениях закреплялись в популяции вирусов гриппа и эти вирусы часто формировали отдельную ветвь на филогенетическом дереве. Результаты подтверждены изучением сайтов разными методами. Среди вирусов гриппа В линии В/Yamagata обнаружен один изолят B/Odessa/389/2015 с мутацией L83P. Эта мутация не закрепилась, так как в популяции вирусов гриппа B сезона 2017-2018 гг. она уже не наблюдалась.
Лечение гриппа ингибиторами NA может создавать селективное давление на появление резистентности у вирусов к этим препаратам, что может влиять и на генетическое разнообразие вирусной популяции. Появление резистентности вирусов к противовирусным препаратам является важной проблемой здравоохранения. В ходе нашего исследования не было выявлено давления на сайты, ассоциированные с резистентностью к ингибиторам NA. Таким образом, в Украине ингибиторы NA не являются селективным фактором отбора вирусов гриппа. По-видимому, это объясняется тем, что ингибиторы NA не нашли широкого применения для лечения гриппа в Украине. Однако эти исследования нуждаются в продолжении.