Расшифровка COVID-19: что генетика может показать о пандемии коронавируса?

Расшифровка COVID-19
Кредит: Гарвардская Медицинская Школа

Почему некоторые люди заболевают SARS-CoV-2, а другие, инфицированные вирусом, не имеют симптомов?

Почему у некоторых людей развиваются неврологические, сердечно-сосудистые или желудочно-кишечные симптомы, в то время как у других инфекция прилипает к дыхательной системе?

Поскольку пожилой возраст и связанные с ним состояния здоровья повышают риск серьезного заболевания или смерти от COVID-19, почему некоторые молодые и в остальном здоровые люди едва выживают при этом заболевании, в то время как некоторые пожилые люди с множественными факторами риска переносят его только незначительные симптомы?

В дополнение к индивидуальному поведению, существовавшим ранее условиям и просто удаче, ответы могут лежать в генах людей.

«У нас есть возможность посмотреть, есть ли генные варианты, которые отличают людей, которые более восприимчивы к вирусу, от тех, кто более устойчив, — сказал Тинг Ву, профессор генетики в Гарвардской медицинской школе.

Генетики, в том числе многие в Институте Блаватника в HMS, объединили ученых разных дисциплин, чтобы исследовать такие критические вопросы, как пандемия COVID-19, охватившая весь мир, заражающая миллионы и убивающая сотни тысяч.

Они работают день и ночь, чтобы понять новый коронавирус в надежде, что их понимание поможет коллегам-исследователям определить или разработать эффективное лечение, разработать вакцины, отследить инфекции и предотвратить будущие заболевания и смерть.

В то время как большинство исследований в университетском городке в HMS были сокращены в марте для защиты здоровья населения, несколько лабораторий в Департаменте генетики получили разрешение на продолжение ограниченных персональных операций для проектов, которые могут иметь непосредственное влияние на COVID-19 пандемия. Другие нашли способы внести свой вклад из дома.

«Мы все пытаемся использовать этот опыт», — сказала Дженни Ян, кандидат биологических и биологических наук. студент в HMS, специализирующийся в области генетики и геномики.

В то время как некоторые генетики HMS тщательно изучают геном человека, другие анализируют геном вируса, чтобы отследить распространение различных линий по всему миру и помочь определить, влияют ли какие-либо мутации на активность вируса.

Некоторые изучают динамику генов в клеточных культурах и на животных моделях, чтобы раскрыть подсказки о том, как организм реагирует на вирус на молекулярном уровне, будь то предоставление доступа к SARS-CoV-2 или разжигание каскада, который приводит к тканям и органам повреждение или убегающее воспаление.

Третьи применяют свои знания о технологиях, основанных на ДНК и РНК, для улучшения существующих тестов и разработки новых, которые могут диагностировать COVID-19 или обнаружить признаки перенесенной инфекции.

Не ясно, какой из этих экспериментов даст полезную информацию и как быстро. В науке, в конце концов, число неудач превышает число успехов, а открытие требует времени.

Что стимулирует исследователей, так это возможность делать открытия или разрабатывать инструменты, которые выявляют слабые стороны вируса или сильные стороны человеческого организма, определяют государственную политику, защищают здоровье человека сегодня или помогают предотвратить будущие пандемии.

«Вирус вызвал так много страданий и экономический спад, что мы должны стрелять во все, что можем», — сказал Харальд Рингбауэр, научный сотрудник HMS в области генетики. «Сейчас важно больше узнать о вирусе и его поведении, и генетика имеет огромный потенциал, чтобы научить нас этим вещам».

В поисках генетических выбросов

Для получения полной картины того, какие гены, если таковые имеются, влияют на восприимчивость человека к новому коронавирусу, потребуется много времени и анализ многих тысяч геномов людей. В то же время Ву и его коллеги начинают работу с использования существующего ресурса, проекта Personal Genome (PGP) и, рассматривая крайние случаи, крайности.

«Мы ищем генетические выбросы — тех, кто находится на краю кривой колокольчика COVID-19», — сказал Джордж Черч, профессор генетики Роберта Уинтропа в HMS и один из основателей Wyss. Институт биологически вдохновленной инженерии, чья лаборатория проводит множество работ, связанных с пандемией COVID-19.

«Нам необязательно делать глубокое погружение на 7 миллиардов человек, чтобы помочь нам предсказать, кто может заболеть или кто не имеет симптомов, но не должен подвергаться воздействию других людей, потому что они все еще распространяют вирус», — сказал он. сказал.

Запущенный в 2005 году в церковной лаборатории и в настоящее время охватывающий несколько стран, PGP приглашает добровольцев поделиться своей медицинской и генетической информацией для научных исследований. В настоящее время программа включает более 6000 участников, около 500 из которых загрузили свои полные последовательности генома. Церковь является одним из них.

Команда планирует выискивать подсказки в данных, сообщаемых самими участниками, таких как почтовый индекс, пол, раса и этническая принадлежность, состояние здоровья и курение и поведение, связанные с курением, а также сведения о любых симптомах COVID-19, результаты теста и потенциальное воздействие вируса. Если отдельные участники выделяются, команда может проанализировать любую ДНК, которую они представили.

Ву также планирует привлечь больше участников в горячие точки COVID-19, чтобы помочь выявить соответствующие варианты генов, используя результаты опроса для определения приоритетности участников для секвенирования генов.

Если команда PGP или другие исследователи действительно находят варианты, которые повышают или понижают риск серьезного заболевания или смерти от COVID-19, возможно, что тогда люди смогут пройти тестирование на эти варианты. Это, в свою очередь, может упростить определение того, кто может наиболее безопасно работать на передовой в определенных отраслях, а кто должен быть более защищен, сказал Ву, а также кто должен принимать дополнительные меры предосторожности в общинах, таких как люди, оказавшиеся на высоком уровне. риск переноса и распространения вируса без проявления симптомов.

PGP предлагает только один из многих способов исследования генетики инфекции SARS-CoV-2. У него есть свои недостатки — например, хранилище меньше, чем в других международных генетических базах данных, — но оно уже получило одобрение IRB и может похвастаться энергичной базой пациентов.

«PGP уникален своей готовностью», — сказал Ву, который также является ассоциированным преподавателем Wyss. «Этот раунд может дать или не дать каких-либо полезных результатов, но он показывает, насколько хорошо существующая программа может быть подготовлена ​​для реагирования на возникающие потребности — и как планирование на будущее может быть полезным».

«При достаточном внимании и финансировании подобные программы могут быть готовы к реагированию на следующую пандемию», — добавила она.

Члены команды проекта — Сара Вайт Заранек, Александр Вайт Заранек, Ранджан Ахаджа, Майкл Чоу, Джейсон Боб, Престон Эстеп и Джантин Ланшоф.

Выводы из исследований древней ДНК

Какое отношение имеет миграция групп ранних людей из Африки к распространению SARS-CoV-2 в 2020 году? Подобные методы анализа генома освещают оба.

Поскольку SARS-CoV-2 заражает людей и размножается, отдельные вирусы развиваются, приобретая генетические мутации. Различные наборы мутаций начинают различать различные линии вируса, которые могут быть связаны с различными частями мира. Отслеживание этих мутаций позволяет исследователям изучать, как движется вирус.

Вирусы, взятые у группы пациентов в Батон-Руж, например, могут иметь уникальный генетический отпечаток, свидетельствующий о локальном распространении SARS-CoV-2, в то время как пациент в Нью-Йорке может иметь версию вируса, почти идентичную одному из циркулирующих в Италии, предполагая, что человеческие путешествия способствовали заражению.

Генетическое секвенирование и вычислительные методы, используемые для отслеживания движения линий SARS-CoV-2 и привязки их к конкретным местам, напоминают те, которые используются для восстановления того, как группы людей десятки тысяч лет назад были связаны друг с другом и как они перемещаться по всему миру на основе ДНК, извлеченной из древних человеческих костей. Это не случайно: многие инструменты, использованные в исследованиях древней ДНК, были впервые разработаны для вирусологии.

Генетики HMS, привыкшие к исследованию предыстории, теперь обращают свои таланты к COVID-19.

«Мы надеемся вновь использовать в вирусологии опыт, накопленный нами при изучении древней ДНК», — сказал постдок Рингбауэр, работающий в лаборатории специалиста по древней ДНК Дэвида Райха, профессора генетики в HMS. Райх также имеет назначения в Гарвардском университете и в Институте им. Брода и Гарварда.

«Конечно, уже есть великие ученые, работающие над новым коронавирусом», — сказал Рингбауэр. «Мы просто надеемся, что сможем внести небольшой вклад».

Исследователи древней ДНК могут предложить несколько навыков, например, знакомство с анализом больших наборов данных. Когда ученые изучали штаммы вируса Зика и Эбола в последнее десятилетие, они работали с несколькими сотнями последовательностей, сказал Рингбауэр. По состоянию на 10 июня для SARS-CoV-2 было собрано более 42 000 последовательностей генома.

Вирус размножается путем клонирования своей РНК, создавая идентичные копии самого себя (за исключением любых новых мутаций). Напротив, большая часть человеческой ДНК реплицируется путем рекомбинации, смешивания генетического материала от двух родителей.

Но исследователи древней ДНК также специализируются на изучении двух исключений из этого правила: Y-хромосомы, которые передаются от мужского родителя к потомству мужского пола без рекомбинации, и митохондриальная ДНК, которая наследуется оптом от матери.

Отслеживание сходства и различий в Y-хромосоме и митохондриальной ДНК, которые эволюционируют подобно вирусной РНК, позволило сузить сроки миграции из других стран и других миграций и реконструировать материнские и отцовские родословные в течение тысячелетий, всего так как отслеживание вирусной РНК от пациента к пациенту позволяет реконструировать генеалогическое дерево SARS-CoV-2 в режиме реального времени.

Когда они закончат сбор и очистку данных, Рингбауэр и Рейх проанализируют геномы SARS-CoV-2, чтобы помочь исследователям ответить на многие вопросы о пандемии, в том числе: Насколько мобильным является вирус? Сколько пламени раздувается искрами, которые возникли локально, а не далеко? Вызывается ли большинство случаев несколькими суперраспредителями или у большинства людей в среднем происходит несколько взаимодействий с инфицированными?

И изменяет ли какая-либо из мутаций поведение вируса, облегчая или затрудняя его передачу или с большей или меньшей вероятностью вызывая заболевание — по сути, создавая новый штамм?

Рыбалка нахлыстом

Вирусы не могут заразить людей, если некоторые из наших клеток не впускают их внутрь. Некоторые белки на клеточных поверхностях обеспечивают проникновение в SARS-CoV-2, в то время как другие внутри клетки кооптируются, чтобы помочь вирусу размножаться.

Открывая каждый из действующих белков, ученые предоставляют новые возможности для поиска лекарств, которые воздействуют на белки и затрудняют закрепление вируса.

Исследователи определили главных виновников, таких как рецептор ACE2 и молекулярные ножницы, известные как TMPRSS2, которые раскатывают желанный коврик для нового коронавируса. В апреле три исследователя HMS внесли свой вклад в международное исследование в Nature Medicine, детально изучившее активность генов, которые превращают эти белки в клетки, выстилающие дыхательные пути, кровеносные сосуды, сердце, роговицу и кишечник.

Авторы: Дебора Хунг, профессор генетики HMS в Массачусетской больнице общего профиля; Кристина Сейдман, профессор медицины Томаса В. Смита в HMS и Brigham and Women Hospital; и Джонатан Сейдман, профессор кафедры генетики в HMS Фонда Генриетты Б. и Фредерика Х. Бугера.

Но список генов и белков может быть еще не полным. Норберт Перримон, профессор Джеймса Стиллмана, профессора биологии развития в HMS, надеется дополнить его, используя генетический скрининг клеток плодовой мухи.

Почему летают клетки? С одной стороны, геномы человека и других млекопитающих являются сложными; один ген может образовывать более одного белка, а один белок может состоять более чем из одного гена. Геномы мух более просты, что облегчает выделение истинных действующих лиц, участвующих в проникновении вируса.

«Мы могли бы идентифицировать белки у мух, которые имеют эквиваленты у людей, но это было бы пропущено в исследованиях на млекопитающих», — сказал Перримон.

Многие, но не все, основные биологические механизмы, обнаруженные у мух, также применимы и к другим организмам, включая людей. Если команда Перримона может сгенерировать список генов и белков, которые, по-видимому, связаны с проникновением SARS-CoV-2 в клетки мухи, исследователи могут сравнить его со списками, сгенерированными в исследованиях на людях и млекопитающих, и использовать наложения для выявления факторов, наиболее может оказаться важным.

Команда должна сначала преодолеть несколько препятствий. Например, мухи в дикой природе не получают COVID-19, поэтому Перримон и научный сотрудник в области генетики Рагувир (Рам) Вишваната должны выяснить, впускают ли клетки мух в частицы SARS-CoV-2 естественным путем. Если нет, исследователи разработают клетки для экспрессии человеческих ACE2 и TMPRSS2, и, если это удастся, они смогут наблюдать, какие дополнительные гены включаются, когда вирус проникает внутрь.

Идея не настолько надуманна. Мухи также не болеют гриппом, но та же методика позволила ученым использовать насекомых, чтобы узнать, как вирус гриппа проникает в клетки.

«Если это сработает, мы должны получить интересные результаты», — сказал Перримон. «Если нет, то это конец проекта».

Если клетки мухи предоставляют доступ к SARS-CoV-2 тем или иным образом, Viswanatha будет использовать платформу, разработанную им на основе инструмента редактирования генов CRISPR, для быстрой идентификации всех генов, которые могут быть вовлечены.

Вишваната использовала платформу в начале этого года, чтобы раскрыть белки, которые используют клетки мух, чтобы впустить патоген насекомого, когда ученые объявили, что некоторые из тех же белков могут быть вовлечены в инфекцию SARS-CoV-2.

Хотя исследователи не уверены, что их эксперимент удастся, у них достаточно уверенности, чтобы поверить, что стоит попробовать.

«Если бы мы могли найти новые факторы, связанные с проникновением вируса, которые привели бы к полному» списку деталей «, это было бы хорошим достижением», — сказал Перримон. «Мы были бы счастливы».

Когда Дженни Ян и ее коллеги начали изучать РНК — молекулы, которые переводят инструкции ДНК в белки — у червей Caenorhabditis elegans, она не ожидала, что выводы команды могут стать актуальными для глобальной пандемии.

«Мы очень фундаментальная научная лаборатория», — сказал Ян, научный сотрудник лаборатории Скотта Кеннеди, профессора генетики Филиппа и Айи Ледер в HMS. «Нас интересуют такие вещи, как экспрессия генов и биология червей».

Многие РНК заканчиваются цепочкой повторяющихся адениновых оснований: так называемый поли (А) хвост. В мае в журнале Nature группа Кеннеди сообщила, что они обнаружили ранее неизвестный тип РНК с повторяющимся хвостом урацила и гуанина у C. elegans. Исследователи назвали их поли (UG) или pUG РНК.

Как pUG, так и poly (A) хвосты позволяют РНК рекрутировать другие белки, которые выполняют важные задания, такие как РНК-полимераза, которая делает копии молекул РНК.

На неделе, когда исследователи разместили свою рукопись на сервере препринтов в декабре 2019 года, первый случай того, что сейчас известно как COVID-19, был зарегистрирован в Китае. Вскоре выяснилось, что SARS-CoV-2 принадлежит к семейству вирусов с геномами, состоящими из РНК, а не ДНК.

Бесчисленные группы прыгнули, чтобы применить знания РНК для борьбы с новой угрозой. Кеннеди задумался, может ли его команда внести свой вклад.

Несколько исследователей в лаборатории сейчас пытаются выяснить: содержит ли коронавирус pUG РНК? Если да, то для чего он их использует? И могут ли они тогда стать целью лечения?

Команда уже обнаружила несколько многообещающих признаков, но работа только началась, и пока не ясно, являются ли первоначальные сигналы реальными.

«Этого достаточно, чтобы мотивировать, но мы еще не убеждены», — сказал Ян. «Это все еще очень предварительно. У нас есть некоторые подсказки, которые нам нужно проверить».

Если SARS-CoV-2 действительно использует pUG РНК для привлечения РНК-полимеразы, ученые могут попытаться нарушить сигналы, которые прикрепляют хвост, или рекрутировать фермент, чтобы вирус не мог реплицироваться.

Если вирус содержит pUG РНК, но они ведут себя не так, как у червей, у Кеннеди и его коллег есть несколько других предположений относительно того, что могут делать молекулы и как они могут предлагать противовирусные стратегии.

И если исследователи не обнаружат каких-либо РНК pUG, лаборатория, скорее всего, вернет все свое внимание к работе, которую она выполняла до пандемии — если только не появятся новые источники вдохновения.

«Это прекрасная вещь в исследованиях; вы не знаете, куда вас приведет проект», — сказал Ян.

Тестирование, тестирование

Тестирование на текущую или прошлую инфекцию SARS-CoV-2 является краеугольным камнем понимания и контроля распространения COVID-19, но возможности и надежность тестирования в США еще не отвечают потребностям страны. Исследователи пытаются это изменить.

Лаборатория Стивена Элледжа, профессора генетики и медицины им. Грегора Менделя в HMS и Brigham and Women, обновила свой комплексный инструмент обнаружения антител VirScan, чтобы пометить прошедшее воздействие SARS-CoV-2 в образцах крови и помочь иммунологам и эпидемиологам лучше оценить летальность вируса, уровень воздействия на население и краткосрочные и долгосрочные последствия для иммунной системы. Элледж получил финансирование MassCPR для этих усилий.

Церковная лаборатория объединила усилия по созданию более быстрых, дешевых и доступных тестов для диагностики COVID-19. То же самое можно сказать о лабораториях Конни Чепко, профессора генетики и нейробиологии им. Булларда в HMS, и Стивена Маккарролла, профессора биомедицинских наук и генетики Дороти и Милтона Флиера в HMS.

Брайан Рабе, доктор философии Кандидат в биологические и биомедицинские науки в лаборатории Cepko, адаптирует существующий анализ для обнаружения SARS-CoV-2 в образцах пациентов за полчаса и без необходимости специального оборудования или обучения. Работа основана на опыте Cepko в использовании вирусов в качестве инструментов исследования.

Рабе и его коллеги работают над улучшениями, такими как стабилизация и дезактивация вирусных частиц в образцах пациентов. Если они смогут внести необходимые изменения, исследователи надеются, что в конечном итоге тест может быть применен в кабинетах врача и других медицинских учреждениях.

Тем временем, научный сотрудник в области генетики Кертис Мелло и другие члены команды Маккарролла сосредоточились на другой технологии — капли нанолитера в сочетании с цифровой ПЦР — для более точного измерения и характеристики вирусной РНК в образцах пациентов и, таким образом, обеспечения более надежного COVID-19. диагнозы.

Этот метод предназначен для того, чтобы отличить крупные молекулы вирусной РНК, которые вырабатываются живыми реплицирующимися вирусами, от фрагментированной вирусной РНК, которая может выделяться через много лет после активной инфекции.

Текущие тесты, напротив, обычно дают положительный результат, если они обнаруживают какую-либо вирусную РНК, целую или поврежденную. Это могло бы объяснить, по крайней мере, некоторые случаи, когда у людей был положительный результат на COVID-19, хотя их симптомы исчезли, сказали исследователи.

В методике McCarroll отдельные образцы пациентов заключаются в микроскопические капли вместе с химическими веществами, необходимыми для усиления и обнаружения генетического материала от коронавируса. Десятки тысяч этих капель можно анализировать одновременно.

Капли сконструированы для свечения, если они содержат РНК SARS-CoV-2. Те, которые содержат длинные неповрежденные фрагменты РНК, светятся разными цветами. Светящиеся капли подсчитываются в цифровом виде при прохождении через микрофлюидное устройство. Исследователи считают, что цифровой подсчет должен давать более точные результаты, чем традиционная ПЦР (полимеразная цепная реакция), стандартный метод амплификации генетического материала.

Цели заключаются в том, чтобы помочь эпидемиологам, измерить инфекционность в различных точках на протяжении болезни и быстро обнаружить активные вирусные частицы на поверхностях, чтобы люди могли сохранить пространство безопасным для жизни и работы.

Дополнительными членами лаборатории, работающими над проектом, являются Нолан Камитаки, научный сотрудник в области генетики, и Хезер де Ривера, исследователь в области естественных наук. Исследование поддержано Отделом Генетики HMS.

Похожие новости

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *