20 декабря 2021 года.
Как ученые обнаруживают новые варианты вируса, вызывающего COVID-19? Ответ заключается в процессе, называемом секвенированием ДНК.
Исследователи определяют последовательность ДНК, чтобы определить порядок четырех химических строительных блоков, или нуклеотидов, из которых она состоит: аденина, тимина, цитозина и гуанина. Миллионы и миллиарды этих строительных блоков, соединенных вместе, образуют геном, содержащий всю генетическую информацию, необходимую организму для выживания.
Когда организм реплицируется, он создает копию всего своего генома, чтобы передать ее потомству. Иногда ошибки в процессе копирования могут привести к мутациям, в результате которых один или несколько строительных блоков меняются местами, удаляются или вставляются. Это может привести к изменению генов — инструкций для белков, обеспечивающих функционирование организма, — и в конечном итоге повлиять на его физические характеристики. У людей, например, цвет глаз и волос — результат генетических вариаций, которые могут возникать в результате мутаций. В случае с вирусом, вызывающим COVID-19, SARS-CoV-2, мутации могут изменить его способность распространяться, вызывать инфекцию или даже ускользать от иммунной системы.
Мы оба являемся биохимиками и микробиологами, которые преподают и изучают геномы бактерий. Мы оба используем секвенирование ДНК в своих исследованиях, чтобы понять, как мутации влияют на устойчивость к антибиотикам. Инструменты, которые мы используем для секвенирования ДНК в нашей работе, — это те же самые инструменты, которые ученые сейчас используют для изучения вируса SARS-CoV-2.
Как происходит секвенирование геномов?
Одним из самых ранних методов, который ученые использовали в 1970-1980-х годах, было секвенирование по методу Сэнгера, при котором ДНК разрезают на короткие фрагменты и добавляют радиоактивные или флуоресцентные метки для идентификации каждого нуклеотида. Затем фрагменты пропускают через электрическое сито, которое сортирует их по размеру. По сравнению с новыми методами, секвенирование по методу Сангера медленное и может обрабатывать только относительно короткие участки ДНК. Несмотря на эти недостатки, оно позволяет получить высокоточные данные, и некоторые исследователи до сих пор активно используют этот метод для секвенирования образцов SARS-CoV-2.
С конца 1990-х годов секвенирование следующего поколения произвело революцию в сборе данных и изучении геномов. Эти технологии, известные как NGS, позволяют одновременно обрабатывать гораздо большие объемы ДНК, что значительно сокращает время, необходимое для секвенирования генома.
Существует два основных типа NGS-платформ: секвенаторы второго и третьего поколения.
Технологии второго поколения способны считывать ДНК напрямую. После того как ДНК разрезается на фрагменты, к ней добавляются короткие участки генетического материала, называемые адаптерами, которые придают каждому нуклеотиду свой цвет. Например, аденин окрашивается в синий цвет, а цитозин — в красный. Наконец, эти фрагменты ДНК вводятся в компьютер и собираются в целую геномную последовательность.
Технологии третьего поколения, такие как Nanopore MinIon, напрямую секвенируют ДНК, пропуская всю молекулу ДНК через электрическую пору в секвенаторе. Поскольку каждая пара нуклеотидов нарушает электрический ток определенным образом, секвенатор может считывать эти изменения и загружать их непосредственно в компьютер. Это позволяет врачам проводить секвенирование образцов в клинических и лечебных учреждениях, расположенных в точках оказания медицинской помощи. Однако Nanopore секвенирует меньшие объемы ДНК по сравнению с другими NGS-платформами.
Хотя каждый класс секвенаторов обрабатывает ДНК по-своему, все они способны за короткое время — от нескольких часов до нескольких дней — составить отчет о миллионах или миллиардах строительных блоков, из которых состоят геномы. Например, секвенатор Illumina NovaSeq способен всего за три дня обработать около 150 миллиардов нуклеотидов, что эквивалентно 48 человеческим геномам.
Использование данных секвенирования для борьбы с коронавирусом
Почему же геномное секвенирование является таким важным инструментом в борьбе с распространением SARS-CoV-2?
Быстрое реагирование здравоохранения на SARS-CoV-2 требует глубокого знания того, как вирус изменяется с течением времени. Ученые используют секвенирование генома для отслеживания SARS-CoV-2 практически в режиме реального времени с самого начала пандемии. Миллионы отдельных геномов SARS-CoV-2 были секвенированы и размещены в различных публичных хранилищах, таких как Глобальная инициатива по обмену данными о птичьем гриппе и Национальный центр биотехнологической информации.
Геномное наблюдение позволяет принимать решения в области общественного здравоохранения по мере появления каждого нового варианта. Например, секвенирование генома варианта omicron позволило исследователям обнаружить более 30 мутаций в белке spike, который позволяет вирусу связываться с клетками человеческого организма. Это делает omicron вариантом, вызывающим беспокойство, поскольку эти мутации, как известно, способствуют способности вируса распространяться. Исследователи все еще изучают, как эти мутации могут повлиять на тяжесть инфекций, которые вызывает omicron, и насколько хорошо он способен обходить существующие вакцины.
Секвенирование также помогло исследователям выявить варианты, которые распространяются в новые регионы. Получив образец вируса SARS-CoV-2, собранный у путешественника, вернувшегося из Южной Африки 22 ноября 2021 года, исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско смогли обнаружить присутствие омикрона через пять часов, а через восемь провели секвенирование почти всего генома. С тех пор Центры по контролю и профилактике заболеваний следят за распространением омикрона и советуют правительству способы предотвращения его широкого распространения в обществе.
Быстрое обнаружение омикрона во всем мире подчеркивает мощь надежного геномного надзора и ценность обмена геномными данными по всему миру. Понимание генетической структуры вируса и его разновидностей дает исследователям и чиновникам здравоохранения представление о том, как лучше обновлять рекомендации по охране здоровья населения и максимально эффективно распределять ресурсы на разработку вакцин и лекарств. Предоставляя важную информацию о том, как сдерживать распространение новых вариантов, геномное секвенирование спасло и будет спасать бесчисленные жизни на протяжении всей пандемии.
Авторы: Андре Хадсон, профессор и руководитель Школы наук о жизни имени Томаса Х. Госнелла, Рочестерский технологический институт, и Криста Уодсворт, доцент Школы наук о жизни имени Томаса Х. Госнелла, Рочестерский технологический институт.
