Secvențierea genomului și caracterizarea genetică a virusului gripal

Secvențierea genomului

Virusurile gripale sunt în continuă schimbare, de fapt, toate virusurile gripale suferă modificări genetice în timp (pentru mai multe informații, a se vedea How the Flu Virus Can Change: „Drift” și „Shift”). Genomul unui virus gripal este format din toate genele care alcătuiesc virusul. CDC efectuează o supraveghere pe tot parcursul anului a virusurilor gripale aflate în circulație pentru a monitoriza modificările genomului (sau ale unor părți ale genomului) acestor virusuri. Această activitate este efectuată ca parte a supravegherii de rutină a gripei în SUA și ca parte a rolului CDC în calitate de centru colaborator al Organizației Mondiale a Sănătății (OMS) pentru referință și cercetare privind gripa. Informațiile pe care CDC le colectează prin studierea modificărilor genetice (cunoscute și sub numele de „substituții”, „variante” sau „mutații”) în virusurile gripale joacă un rol important în domeniul sănătății publice, ajutând la stabilirea dacă vaccinurile și medicamentele antivirale vor funcționa împotriva virusurilor gripale care circulă în prezent, precum și la determinarea potențialului ca virusurile gripale de la animale să infecteze oamenii.

Secvențierea genomului dezvăluie secvența nucleotidelor dintr-o genă, precum literele alfabetului în cuvinte. Nucleotidele sunt molecule organice care formează unitatea structurală de bază a acizilor nucleici, cum ar fi ARN sau ADN. Toate virusurile gripale sunt alcătuite din ARN monocatenar, spre deosebire de ADN bicatenar. Genele ARN ale virusurilor gripale sunt alcătuite din lanțuri de nucleotide care sunt legate între ele și codificate prin literele A, C, G și U, care reprezintă adenină, citosină, guanină și, respectiv, uracil. Comparând compoziția nucleotidelor dintr-o genă a unui virus cu ordinea nucleotidelor dintr-o altă genă a virusului se pot descoperi variații între cele două virusuri.

Variațiile genetice sunt importante deoarece pot afecta structura proteinelor de suprafață ale unui virus gripal. Proteinele sunt alcătuite din secvențe de aminoacizi.

Substituirea unui aminoacid cu altul poate afecta proprietățile unui virus, cum ar fi cât de bine se transmite un virus între oameni și cât de sensibil este virusul la medicamentele antivirale sau la vaccinurile actuale.

Virusurile gripale A și B – principalele virusuri gripale care infectează oamenii – sunt virusuri ARN care au opt segmente genetice. Aceste gene conțin „instrucțiuni” pentru producerea de noi virusuri, iar aceste instrucțiuni sunt cele pe care un virus gripal le folosește odată ce infectează o celulă umană pentru a păcăli celula să producă mai multe virusuri gripale, răspândind astfel infecția.

Genele gripale constau dintr-o secvență de molecule numite nucleotide care se leagă între ele sub forma unui lanț. Nucleotidele sunt desemnate prin literele A, C, G și U.

Secvențierea genomului este un proces care determină ordinea, sau secvența, nucleotidelor (adică A, C, G și U) în fiecare dintre genele prezente în genomul virusului. Secvențierea genomului complet poate dezvălui secvența de aproximativ 13.500 de litere a tuturor genelor din genomul virusului.

În fiecare an, CDC efectuează secvențierea genomului complet pe aproximativ 7.000 de virusuri gripale din probele clinice originale colectate prin supraveghere virologică. Genomul unui virus gripal A sau B conține opt segmente de gene care codifică (adică determină structura și caracteristicile) celor 12 proteine ale virusului, inclusiv cele două proteine de suprafață primare ale sale: hemaglutinina (HA) și neuraminidaza (NA). Proteinele de suprafață ale unui virus gripal determină proprietăți importante ale virusului, inclusiv modul în care virusul răspunde la anumite medicamente antivirale, similitudinea genetică a virusului cu virusurile actuale ale vaccinului antigripal și potențialul virusurilor gripale zoonotice (de origine animală) de a infecta gazdele umane.

Caracterizare genetică

CDC și alte laboratoare de sănătate publică din întreaga lume au secvențiat genele virusurilor gripale încă din anii 1980. CDC contribuie cu secvențe de gene la bazele de date publice, cum ar fi GenBankexternal icon și Global Initiative on Sharing Avian Influenza Data (GISAID)external icon, pentru a fi utilizate de cercetătorii din domeniul sănătății publice. Bibliotecile de secvențe genetice rezultate permit CDC și altor laboratoare să compare genele virusurilor gripale care circulă în prezent cu genele virusurilor gripale mai vechi și ale virusurilor utilizate în vaccinuri. Acest proces de comparare a secvențelor genetice se numește caracterizare genetică. CDC utilizează caracterizarea genetică din următoarele motive:

• Pentru a determina cât de apropiate din punct de vedere genetic sunt virusurile gripale „înrudite” sau similare între ele
• Pentru a monitoriza modul în care evoluează virusurile gripale
• Pentru a identifica modificările genetice care afectează proprietățile virusului. De exemplu, pentru a identifica modificările specifice care sunt asociate cu virusurile gripale care se răspândesc mai ușor, care provoacă boli mai grave sau care dezvoltă rezistență la medicamentele antivirale
• Pentru a evalua cât de bine ar putea proteja un vaccin antigripal împotriva unui anumit virus gripal pe baza similitudinii sale genetice cu virusul respectiv
• Pentru a monitoriza modificările genetice ale virusurilor gripale care circulă în populațiile de animale și care le-ar putea permite să infecteze oamenii.

Diferențele relative dintre un grup de virusuri gripale sunt prezentate prin organizarea lor într-un grafic numit „arbore filogenetic”. Arborii filogenetici pentru virusurile gripale sunt ca arborii familiali (genealogie) pentru oameni. Acești arbori arată cât de strâns „înrudiți” sunt virușii individuali unul cu celălalt. Virușii sunt grupați în funcție de faptul că nucleotidele genelor lor sunt identice sau nu. Arborii filogenetici ai virusurilor gripale vor afișa, de obicei, cât de asemănătoare sunt între ele genele hemaglutininei (HA) sau neuraminidazei (NA) ale virusurilor. Fiecare secvență de la un anumit virus gripal are propria sa ramură în arbore. Gradul de diferență genetică (numărul de diferențe de nucleotide) dintre viruși este reprezentat de lungimea liniilor orizontale (ramuri) din arborele filogenetic. Cu cât virușii sunt mai depărtați pe axa orizontală a unui arbore filogenetic, cu atât virusurile sunt mai diferite din punct de vedere genetic unul față de celălalt.

De exemplu, după ce CDC secvențiază un virus gripal A(H3N2) colectat prin supraveghere, secvența virusului este catalogată cu alte secvențe de virus care au o genă HA similară (H3) și o genă NA similară (N2). Ca parte a acestui proces, CDC compară noua secvență de virus cu celelalte secvențe de virus și caută diferențe între ele. CDC utilizează apoi un arbore filogenetic pentru a reprezenta vizual cât de diferiți din punct de vedere genetic sunt virușii A(H3N2) unul de celălalt.

CDC efectuează caracterizarea genetică a virusurilor gripale pe tot parcursul anului. Aceste date genetice sunt utilizate împreună cu datele de caracterizare antigenică a virusurilor pentru a ajuta la determinarea virușilor vaccinali care ar trebui aleși pentru viitoarele vaccinuri antigripale din emisfera nordică sau din emisfera sudică. În lunile premergătoare reuniunilor de consultare a OMS privind vaccinurile din februarie și septembrie, CDC colectează virusurile gripale prin supraveghere și compară secvențele genelor HA și NA ale virusurilor vaccinale actuale cu cele ale virusurilor gripale aflate în circulație. Aceasta este o modalitate de a evalua cât de apropiați sunt virușii gripali circulanți de virușii împotriva cărora a fost formulat vaccinul împotriva gripei sezoniere. Pe măsură ce virusurile sunt colectate și caracterizate genetic, pot fi dezvăluite diferențe.

De exemplu, uneori, pe parcursul unui sezon, virușii circulanți se modifică genetic, ceea ce face ca aceștia să devină diferiți de virusul vaccinal corespunzător. Acesta este un indiciu că ar putea fi necesar să se selecteze un virus vaccinal diferit pentru vaccinul antigripal din sezonul următor, deși alți factori, inclusiv rezultatele caracterizării antigenice, influențează puternic deciziile privind vaccinurile. Proteinele de suprafață HA și NA ale virusurilor gripale sunt antigene, ceea ce înseamnă că sunt recunoscute de sistemul imunitar și sunt capabile să declanșeze un răspuns imunitar, inclusiv producerea de anticorpi care pot bloca infecția. Caracterizarea antigenică se referă la analiza reacției unui virus cu anticorpii pentru a ajuta la evaluarea modului în care acesta se raportează la un alt virus.

Metode de secvențiere a genomului gripal

În mod tradițional, oamenii de știință au folosit o tehnică de secvențiere numită „reacția Sanger” pentru a monitoriza evoluția gripei ca parte a supravegherii virologice. Secvențierea Sanger identifică secvența genetică predominantă printre numeroasele virusuri gripale găsite într-un izolat. Acest lucru înseamnă că micile variații în populația de virusuri prezente într-un eșantion nu se reflectă în rezultatul final. Oamenii de știință folosesc adesea metoda Sanger pentru a efectua secvențierea parțială a genomului virusurilor gripale, în timp ce tehnologiile mai noi (a se vedea paragraful următor) sunt mai potrivite pentru secvențierea întregului genom.

În ultimii cinci ani, CDC a folosit metodologii de „secvențiere de generație următoare (NGS)”, care au extins foarte mult cantitatea de informații și detalii pe care le poate furniza analiza de secvențiere. NGS utilizează detecția moleculară avansată (AMD) pentru a identifica secvențele de gene de la fiecare virus dintr-o probă. Prin urmare, NGS dezvăluie variațiile genetice dintre mai multe particule diferite de virus gripal dintr-un singur eșantion, iar aceste metode dezvăluie, de asemenea, întreaga regiune de codificare a genomurilor. Acest nivel de detaliere poate aduce beneficii directe și importante pentru procesul decizional în domeniul sănătății publice, însă datele trebuie interpretate cu atenție de către experți cu înaltă pregătire în contextul altor informații disponibile. A se vedea proiectele AMD: Improving Influenza Vaccines (Îmbunătățirea vaccinurilor împotriva gripei) pentru mai multe informații despre modul în care NGS și AMD revoluționează cartografierea genomului gripei la CDC.

.