Flu Evolution: hoe wetenschappers genoomsequencing gebruiken om de toekomst te voorspellen

Evolutie is meestal erg langzaam, een proces van verandering dat duizenden of miljoenen jaren in beslag neemt.

Maar voor influenza is de evolutie snel - en dodelijk. Griepvirussen veranderen snel om te ontsnappen aan de afweer van het lichaam. Om de paar jaar duiken er nieuwe varianten van de griep op en veroorzaken epidemieën over de hele wereld.

Het beheersen van de verspreiding van de griep betekent omgaan met deze voortdurende evolutie. Elk jaar moeten deskundigen van de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) hun beste gissing doen over hoe het virus zal veranderen om te kiezen welke griepstammen in het jaarlijkse vaccin moeten worden opgenomen.

Dit werk is moeilijk en onzeker, en fouten hebben echte consequenties. Wereldwijd infecteert de griep verschillende miljoen mensen per jaar en veroorzaakt honderdduizenden doden. In jaren dat voorspellingen het doel missen en de griepprik heel anders is dan circulerende stammen, zijn meer mensen vatbaar voor infecties.

In de afgelopen paar jaar zijn de ontwikkelingen in de sequencing van het genoom begonnen licht te werpen op het begin van de virale evolutie, diep in individuele infecties. We vroegen ons af of deze informatie ons voor de griep een vroege blik zou kunnen geven op toekomstige mondiale evolutietrends.

Wat kan de griepinfectie van een persoon ons vertellen over hoe het virus over de hele wereld verandert? Zoals het blijkt, een verrassende hoeveelheid.

Zoek diep in een infectie

Elke stap in de evolutie van de griep begint met een fout. Omdat virussen zichzelf binnen een geïnfecteerde persoon kopiëren, muteren ze soms, waardoor ze kleine wijzigingen in hun genetische blauwdruk aanbrengen.

De meeste mutaties zijn schadelijk voor het virus omdat ze de machine kapot maken die het nodig heeft om te functioneren. Maar af en toe overleeft een mutant virus en bloeit het zelfs. Virussen spelen een constant spel van kat-en-muis met het menselijk immuunsysteem. Soms kan een mutant virus net anders genoeg zijn om te ontsnappen aan de aankondiging van het lichaam.

Een mutant virus met dit soort voordeel kan zich snel vermenigvuldigen en de infectie gaan domineren. Uiteindelijk kan het zelfs van persoon tot persoon worden verspreid en van daaruit verspreid over de wereld.

Onlangs is het gemakkelijker geworden om te volgen hoe virussen veranderen in het menselijk lichaam. Dezelfde ontwikkelingen die het goedkoop en eenvoudig te sequensen van menselijke genomen hebben gemaakt, veranderen de manier waarop we virussen bestuderen. Voor de kosten van het sequencen van een enkel menselijk genoom, kunnen we duizenden virussen uit een hele infectie opeenvolgen om nieuwe mutaties te volgen zodra ze zich voordoen.

Deze mutaties kunnen ons laten zien hoe het virus reageert op uitdagende omgevingen in het menselijk lichaam. Voor HIV, waar infecties vaak jaren of zelfs decennia duren, kan de evolutie aanzienlijk zijn, zelfs binnen één persoon. In het bijzonder evolueren virussen vaak geneesmiddelresistentie in reactie op antivirale behandeling.

Evolutie van de griep volgen bij 4 lange infecties

We hebben onlangs de virale evolutie bij vier kankerpatiënten gevolgd die enkele maanden last hadden van griepinfecties. De meeste griepinfecties duren ongeveer een week, wat de hoeveelheid verandering beperkt die kan optreden. Maar bij patiënten met een zwak immuunsysteem kunnen infecties lang duren, met ernstige gevolgen.

Hoe veranderde de griep binnen deze langdurige infecties? Door virussen van verschillende tijden tijdens de infectie te sequencen en hun genomen te vergelijken, waren we in staat nieuwe mutaties te identificeren en hun lot te volgen.

Evolutie handelde in een kwestie van weken. Een duidelijk voorbeeld was resistentie tegen Tamiflu. De patiënten die we bestudeerden, namen het medicijn om hun infecties onder controle te houden. Maar, zoals in eerdere studies, kwamen uiteindelijk virussen tevoorschijn die drastisch resistente mutaties droegen. Deze mutaties kunnen deels verklaren waarom de infecties zo lang hebben geduurd.

Geneesmiddel-resistente mutaties waren niet de enige evolutionaire veranderingen die we zagen. Een half dozijn mutante virussen, die allemaal net iets van elkaar verschillen, concurreerden soms tegelijkertijd in één persoon.

Deze concurrerende virussen maakten evolutie tot een gecompliceerde aangelegenheid. Een mutatie die zich een week lang verspreidde, zou de volgende dag soms uitsterven. Vermoedelijk werd het gecoupeerd door een nog betere mutatie.

In sommige gevallen vonden we precies dezelfde mutaties in virussen van verschillende patiënten in onze studie, hoewel we konden vaststellen dat de patiënten elkaar niet infecteerden. We verwachten maar heel zelden dat dergelijke overeenkomsten door toeval zullen plaatsvinden. De virussen kunnen soortgelijke aanpassingen hebben ondergaan als reactie op evolutionaire uitdagingen. Sommige van deze mutaties hebben mogelijk het virus helpen het immuunsysteem te vermijden, in navolging van andere onderzoeken.

Voorspellen van de toekomst

Wat meer is, veel mutaties binnen deze patiënten kwamen overeen met mutaties die zich later over de hele wereld verspreidden. In de uitsteeksels van de buitenlaag van de griep, die het virus helpen de gastheercellen binnen te dringen, ontstond de mutatie N225D bij drie van de vier patiënten in ons onderzoek. In 2015, ongeveer 8 jaar nadat onze patiënten waren geïnfecteerd, droegen de meeste griepvirussen wereldwijd precies dezelfde verandering.

Voor ons was dit onverwacht. Evolutie zit vol afwegingen, en sommige mutaties die de griep helpen aanpassen aan mensen, kunnen de overdracht van persoon naar persoon vertragen. We wisten ook niet of de evolutie in dergelijke ongewoon lange griepinfecties patronen van verandering over de hele wereld zou evenaren.

Maar in onze studie vertoonde de griepevolutie bij individuele mensen opvallende gelijkenissen met de evolutie over de hele wereld. In slechts een paar individuen konden we hints van enkele wereldwijde evolutionaire trends zien.

Naarmate technologieën steeds beter worden, wordt het steeds moeilijker om diep in griepinfecties te kijken, zoals we deden. WHO onderzoekt elk jaar griepstammen van duizenden mensen om de griepontwikkeling te volgen. Onderzoekers maken steeds meer spanningen op manieren die ons in staat stellen mutaties op te vangen wanneer ze zich voor het eerst voordoen bij individuele mensen.

Elk van deze duizenden infecties is als een afzonderlijk evolutionair experiment. Door mutaties te vergelijken die voorkomen in verschillende infecties, kunnen we een gevoel van evolutionaire mogelijkheden en beperkingen krijgen.

Ergens in de rij kan dit soort informatie helpen bij het voorspellen van de evolutie van de griep. Voor nu, ten minste, onthult het enkele van de dynamische processen van evolutie die in ieder van ons plaatsvinden.

Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation door Katherine Xue en Jesse Bloom. Lees hier het originele artikel.