Hur virusdetektiver spårar ursprunget till ett utbrott - och varför det är så knepigt

Hur virusdetektiver spårar ursprunget till ett utbrott - och varför det är så knepigt För att förhindra framtida pandemier måste man undersöka virala släktträd. Stockcrafter / iStock via Getty Images Plus

Varje gång det finns ett stort sjukdomsutbrott är en av de första frågorna som forskare och allmänheten ställer: "Var kom det ifrån?"

För att förutsäga och förhindra framtida pandemier som COVID-19, måste forskare hitta ursprunget till de virus som orsakar dem. Detta är ingen trivial uppgift. De ursprung till HIV var inte klart förrän 20 år efter att det spridit sig över hela världen. Forskare vet fortfarande inte ursprunget till Ebola, även om det har gjort det orsakade periodiska epidemier sedan 1970-talet.

Som en expert på viral ekologiJag frågas ofta hur forskare spårar ursprunget till ett virus. I mitt arbete har jag hittat många nya virus och några välkända patogener som infekterar vilda växter utan att orsaka någon sjukdom. Växt, djur eller människa, metoderna är i stort sett desamma. Att spåra ursprunget till ett virus innebär en kombination av omfattande fältarbete, grundlig laboratorietestning och ganska lite tur.

Virus hoppar från vilda djurvärdar till människor

Många virus och andra sjukdomsmedel som smittar människor har sitt ursprung i djur. Dessa sjukdomar är zoonotisk, vilket betyder att de orsakas av djurvirus som hoppade till människor och anpassade sig till att spridas genom den mänskliga befolkningen.

Det kan vara frestande att starta virussprungssökningen genom att testa sjuka djur på platsen för den första kända mänskliga infektionen, men vilda värdar visar ofta inga symtom. Virus och deras värdar anpassar sig till varandra över tiden, så virus orsakar ofta inte uppenbara sjukdomssymtom förrän de har gjort det hoppade till en ny värdart. Forskare kan inte bara leta efter sjuka djur.


 Få det senaste via e-post

Veckotidningen Daglig Inspiration

Ett annat problem är att människor och deras matdjur inte är stillastående. Platsen där forskare hittar den första smittade personen är inte nödvändigtvis nära den plats där viruset först uppstod. Forskare i PPE-hållande pipett i labb. En utmaning när det gäller spårning av viralt ursprung är det stora utbudet av prover från människor och djur som måste samlas in och testas. LLuis Alvarez / DigitalVision via Getty Images

När det gäller COVID-19 var fladdermöss en uppenbar första plats att titta på. De är kända värdar för många koronavirus och är den troliga källan till andra zoonotiska sjukdomar som SARS och MERS.

För SARS-CoV-2, det virus som orsakar COVID-19, har de närmaste relativa forskarna hittills hittat BatCoV RaTG13. Detta virus är en del av en samling koronavirus från bat som upptäcktes 2011 och 2012 av virologer från Wuhan Virology Institute. Virologerna letade efter SARS-relaterade koronavirus i fladdermöss efter SARS-CoV-1-pandemi 2003. De samlade fekalprover och halssvampar från fladdermöss på en plats i Yunnan-provinsen cirka 932 kilometer från institutets laboratorium i Wuhan, där de tog tillbaka prover för vidare studier.

För att testa om koronavirusen från fladdermössen kunde spridas till människor, infekterade forskare apanjurceller och humana tumörhärledda celler med Yunnan-proverna. De fann att ett antal av virusen från denna samling kunde replikera i de mänskliga cellerna, vilket innebär att de potentiellt kan överföras direkt från fladdermöss till människor utan en mellanliggande värd. Fladdermöss och människor kommer inte i direktkontakt så ofta, så en mellanliggande värd är fortfarande ganska sannolikt.

Hitta närmaste släktingar

Nästa steg är att avgöra hur nära anknytning ett misstänkt viltvirus är till det som smittar människor. Forskare gör detta genom att räkna ut virusets genetiska sekvens, vilket innebär att man bestämmer ordningen på de grundläggande byggstenarna, eller nukleotider, som utgör genomet. Ju mer nukleotider två genetiska sekvenser delar, desto närmare besläktade är de.

Genetisk sekvensering av Bat Coronavirus RaTG13 visade att den var över 96% identiska till SARS-CoV-2. Denna nivå av likhet innebär att RaTG13 är en ganska nära släkting till SARS-CoV-2, vilket bekräftar att SARS-CoV-2 förmodligen har sitt ursprung i fladdermöss, men fortfarande är för avlägsen för att vara en direkt förfader. Det var sannolikt en annan värd som fångade viruset från fladdermöss och förde det vidare till människor. Person som bär andningsskydd, handskar och strålkastare som håller fladdermusen upp mot ljuset. För att hitta den mellanliggande värden mellan fladdermöss och människor måste forskare kasta ett stort nät och prova många olika djur. AP Photo / Silvia Izquierdo

Eftersom några av de tidigaste fallen av COVID-19 hittades hos personer som var associerade med djurmarknaden i Wuhan, spekulerades det i att ett vildt djur från denna marknad var den mellanliggande värden mellan fladdermöss och människor. Men forskare hittade aldrig coronavirus hos djur från marknaden.

Likaså när ett relaterat koronavirus identifierades i myrkottar konfiskerade i en anti-smugglingsoperation i södra Kina, sprang många till slutsatsen att SARS-CoV-2 hade hoppat från fladdermöss till pangolin till människor. De pangolinvirus visade sig vara endast 91% identisk med SARS-CoV-2, vilket gör det osannolikt att det är en direkt förfader till det humana viruset.

För att fastställa ursprunget till SARS-CoV-2 måste mycket mer vilda prover samlas in. Detta är en svår uppgift - provtagning av fladdermöss är tidskrävande och kräver strikta försiktighetsåtgärder mot oavsiktlig infektion. Eftersom SARS-relaterade koronavirus finns i fladdermöss över hela Asien, inklusive Thailand och Japan, är det en mycket stor höstack att söka efter en mycket liten nål.

Skapa ett släktträd för SARS-CoV-2

För att reda ut pusslet med viralt ursprung och rörelse måste forskare inte bara hitta de saknade bitarna utan också ta reda på hur de alla passar ihop. Detta kräver att man samlar in virusprover från humana infektioner och jämför dessa genetiska sekvenser både med varandra och med andra djurhärledda virus.

För att bestämma hur dessa virala prover är relaterade till varandra använder forskare datorverktyg för att konstruera virusets släktträd, eller fylogeni. Forskare jämför de genetiska sekvenserna för varje virusprov och konstruerar förhållanden genom att anpassa och rangordna genetiska likheter och skillnader.

Den direkta förfadern till viruset, som delar den största genetiska likheten, kan ses som dess förälder. Varianter som delar samma föräldersekvens men med tillräckligt med förändringar för att göra dem åtskilda från varandra är som syskon. När det gäller SARS-CoV-2, Sydafrikansk variant, B.1.351, och den brittiska varianten, B.1.1.7, är syskon.

Att bygga ett släktträd kompliceras av det faktum att olika analysparametrar kan ge olika resultat: Samma uppsättning genetiska sekvenser kan producera två mycket olika släktträd. Exempel på två olika fylogenetiska träd konstruerade för samma genetiska sekvenser Nukleotidsekvenserna av sex fiktiva virus visas på toppen. Nedan finns två släktträd av dessa virus skapade med två olika program. Trädet till vänster använder endast procentuell identitet, medan trädet till höger också överväger om de två sekvenserna delar liknande tecken. Marilyn Rossinck, CC BY-ND

För SARS-CoV-2 är fylogenetisk analys särskilt svår. Fastän tiotusentals SARS-CoV-2-sekvenser nu finns tillgängliga, skiljer de sig inte tillräckligt från varandra till bilda en tydlig bild av hur de är relaterade till varandra.

Den aktuella debatten: Wild host eller lab spillover?

Kunde SARS-CoV-2 ha släppts från ett forskningslaboratorium? Fastän aktuella bevis antyder att detta inte är fallet, 18 framstående virologer föreslog nyligen att denna fråga borde vara undersöktes ytterligare.

Även om det har spekulerats i att SARS-CoV-2 konstruerats i ett laboratorium, verkar denna möjlighet mycket osannolik. När man jämför den genetiska sekvensen av vild RaTG13 med SARS-CoV-2, sprids skillnader slumpmässigt över genomet. I ett konstruerat virus skulle det finnas tydliga förändringsblock som representerar introducerade sekvenser från en annan viral källa.

[Få våra bästa historier om vetenskap, hälsa och teknik. Registrera dig för The Conversation's science nyhetsbrev.]

Det finns en unik sekvens i SARS-CoV-2-genomet som kodar för en del av spikproteinet som verkar spela en viktig roll för att infektera människor. Intressant är att en liknande sekvens finns i MERS coronavirus som orsakar en sjukdom som liknar COVID-19.

Även om det inte är klart hur SARS-CoV-2 förvärvade dessa sekvenser, antyder virusutvecklingen att de härrör från naturliga processer. Virus ackumulera förändringar antingen genom genetiskt utbyte med andra virus och deras värdar, eller genom slumpmässiga misstag under replikering. Virus som får en genetisk förändring som ger dem en reproduktiv fördel fortsätter vanligtvis att skicka det vidare genom replikering. Att MERS och SARS-CoV-2 delar en liknande sekvens i denna del av genomet antyder att det naturligt utvecklades i båda och sprids eftersom det hjälper dem att infektera mänskliga celler.

Vart ska man åka härifrån?

Att räkna ut ursprunget till SARS-CoV-2 kan ge oss ledtrådar för att förstå och förutsäga framtida pandemier, men vi kanske aldrig vet exakt var det kom ifrån. Oavsett hur SARS-CoV-2 hoppade in i människor är det här nu och det är nog här för att stanna. Framöver måste forskare fortsätta att övervaka spridningen och få så många människor vaccineras som möjligt.

Om författaren

Marilyn J. Roossinck, professor i växtpatologi och miljömikrobiologi, Penn State
 
books_health

Denna artikel publicerades ursprungligen på Avlyssningen

TILLGÄNGLIGA SPRÅK

English afrikaans Arabic Förenklad kinesiska) Kinesiska (traditionell) danska Dutch Filippinare Finnish French German grekisk Hebreiska hindi ungerska Indonesian Italian Japanese Korean Malay Norwegian perser polska Portuguese rumänska Russian Spanish swahili Swedish Thai Turkiska ukrainska urdu Vietnamese

följ InnerSelf på

Facebookikon ikon~~POS=HEADCOMPtwitter iconyoutube iconinstagram ikonpintrest ikonrss-ikonen

 Få det senaste via e-post

Veckotidningen Daglig Inspiration

Nya Attityder - Nya Möjligheter

InnerSelf.comClimateImpactNews.com | InnerPower.net
MightyNatural.com | WholisticPolitics.com | InnerSelf Market
Copyright © 1985 - 2021 Innerself Publikationer. All Rights Reserved.