Не успев преодолеть последствия пандемии COVID-19, человечество вновь озабочено пришествием новой пандемии гриппа. Эти тревожные ожидания обусловлены прежде всего тем, что пандемии гриппа возникают с интервалом 10—40 лет, и с 2020 г. мы уже вступили в стадию возрастания вероятности возникновения новой пандемии. Триггером для новых волнений стала эпизоотия H5N1 у коров в США, что роднит нынешнюю эпидемическую ситуацию с таковой перед наступлением пандемии гриппа в 2009 г., которой предшествовала эпизоотия гриппа у птиц, вызванная подтипом H5N1.

Сама история возникновения трех пандемий гриппа за столетие свидетельствовала о смене типа гемагглютинина у виновника новой пандемии. Пандемии гриппа 2009 г. предшествовали, с одной стороны, пандемия гриппа 1968 г., вызванная подтипом H3N2, с другой стороны, эпизоотия H5N1 у птиц и активная социркуляция в природе подтипов H1N1 и H3N2, что послужило поводом не подозревать последние в качестве виновников грядущей пандемии гриппа и прогнозировать подтип H5N1 как наиболее вероятный источник новой пандемии гриппа. Этому способствовали и публикации о возможности экспериментальных модификаций вируса H5N1, обеспечивавших ему способность заражать подопытных животных воздушно-капельным путем [1, 2]. Но прогнозы были опрокинуты: пандемия H5N1 не состоялась, в результате многократной реассортации в 2009 г. возник новый «свиной» штамм H1N1, быстро трансмиссировавшийся глобально, вытесняя из циркуляции распространенные до него штаммы H1N1 и H3N2. Лабораторные модели часто неприемлемы в самой природе. Природа формирования пандемичности вируса является более сложной и не исчерпывается способностью вируса распространяться воздушно-капельным путем.

Новый хозяин. Какой же мог бы быть прогноз относительно виновника будущей пандемии гриппа, каковы шансы стать им у подтипа H5N1 в условиях вызванной им эпизоотии у коров? Прежде всего следует подчеркнуть, что возникновение пандемии гриппа может протекать как со сменой, так и без смены типа гемагглютинина у возбудителя пандемии, чему способствует распространенный среди вирусов гриппа механизм реассортации компонентов их генома, позволяющий быстро возникать множеству разных комбинаций его фрагментов. Помимо пандемического вируса 2009 г., реассортантом является пандемический штамм 1968 г. Кроме того, ни одна из четырех последних пандемий гриппа (1918, 1957, 1968 и 2009 гг.) не была ассоциирована по времени с эпизоотией [3]. У вирусов гриппа широкий круг хозяев (рис. 1, цит. по [4]). Новизна же возникшей эпизоотии H5N1 у коров состоит в том, что рогатый скот ранее был хозяином преимущественно вирусов гриппа типа D, а теперь охвачен и подтипом A. Это сильно расширяет ареал обитания вирусов гриппа и истоки возникновения эпизоотий.

Рис. 1. Инфицирование человека и животных различными типами вируса гриппа (цит. по [4]).

То, что вирус H5N1, а не, например, H2N1, вызвал эпизоотию именно у коров, не представляется необычным. Поскольку H5N1 возник у птиц, молекулярная структура его адаптирована к высокой температуре, и, соответственно, трансмиссивность H5N1 зависит от температуры организма хозяина. В частности, конформационные изменения гемагглютинина и процесс слияния оболочки вируса с эндосомальной мембраной клеток являются температуро- и pH-зависимыми в жизненном цикле вирусов гриппа [1, 5]. Другое ограничение с температурной зависимостью должно быть связано с нуклеопротеином (NP) вируса, так как прочность взаимодействия NP с вирусной РНК в РНП будет определяться, помимо особенностей структуры самого белка NP, температурой тела хозяина вируса. Общеизвестно, что процессы репликации и транскрипции, сопряженные с диссоциированием NP от РНК, имеют температурный оптимум, детерминированный температурой тела конкретного вида животного, под которую адаптирован аминокислотный состав NP циркулирующего в нем штамма вируса. Нормальная температура тела у человека равна 36,6 °C, у свиней — 38—40 °C, у птиц — 42,5 °C, а у коров варьирует от 37,5 до 40,5 °C в зависимости от возраста. Столь существенная разница температур тела птиц и человека должна обязательно отразиться на аминокислотном составе NP их вирусов, в частности на содержании в них положительно заряженных аргинина и лизина, так как через эти аминокислоты осуществляется электростатическое (наиболее сильное) взаимодействие NP с фосфатными радикалами геномной РНК в вирионе, и от силы этого взаимодействия будут зависеть скорость репликации и транскрипции и, прежде всего, возможность самой их реализации. По сравнению с вирусами гриппа человека, например H1N1, для NP у вирусов гриппа птиц H5N1 должна быть характерна, по крайней мере, более высокая, положительная заряженность, что и проявляется более повышенным содержанием у них аргинина (табл. 1). Преобладание аргинина сообщает за счет его гуанидиновой группировки молекуле NP более высокий положительный заряд. Это обусловливает более сильное электростатическое взаимодействие NP с молекулами РНК у вирусов H5N1 и, соответственно, их более высокую термостабильность, чем у вирусов гриппа человека. В этом аспекте обретение вирусом H5N1, а не H1N1 в качестве хозяина коров является более оптимальным.

Таблица 1. Аминокислотный состав нуклеопротеинов H5N1 и H1N1 вирусов гриппа

Биомаркеры пандемических штаммов. Хотя для гриппозной инфекции видовые барьеры низки, различия человеческих и птичьих вирусов гриппа по доминированию у них разных субтипов гемагглютинина или нейраминидазы, как и особенности первичных структур их внутренних белков служат высоким барьером для трансмиссии птичьих вирусов от человека человеку и последующей продуктивной инфекции [3].

Ранее в поисках биомаркеров распознавания пандемических штаммов (ПШ) вирусов гриппа A по молекулярным характеристикам было выявлено, что первичным структурам их внутренних белков свойственно постоянство количества и позиций определенных аминокислот и наличие блоков протяженных инвариантных последовательностей. Последние были обозначены как паттерны инвариантности внутренних белков и использованы для безошибочного идентифицирования ПШ и неПШ. Разделенные по срокам их возникновения десятками лет и отличающиеся составом подтипов гемагглютининов и нейраминидаз, ПШ имеют, однако, выраженное сходство по внутренним белкам, образующим обособленное подмножество, от которого в разной степени «отдалены» первичные структуры внутренних белков неПШ [6].

Для выявления инвариантов была использована обучающая выборка первичных структур белков M1, M2, NP, PB1, PB2, PA, и NS2 пандемических штаммов H1N1 A/Brevig Mission/1/18, H2N2A/Japan/305/1957, H3N2 A/Aichi/2/1968 и H1N1 A/California/08/2009. Путем сравнения аминокислотных последовательностей внутренних белков ПШ обучающей выборки для каждого белка выводили матрицу инвариантности первичной структуры (МИПС) ПШ. Выявленные МИПС позволили правильно классифицировать ПШ от неПШ в контрольной выборке штаммов. Штамм исключался из числа ПШ при наличии хотя бы одного отличия структуры их внутренних белков от МИПС. Оказалось, что достаточно было использовать даже обучающую выборку из внутренних белков ПШ трех пандемий (1918, 1957 и 1968 гг.) для классифицирования штаммов пандемии 2009 г. как ПШ.

В табл. 2 приведены результаты такого анализа применительно к разным штаммам H5N1, выделенным в разные годы, и ПШ H1N1. Очевидно, что если ПШ 1918 и 2009 гг. не отличались от МИПС, то все штаммы H5N1 отличались от МИПС по всем внутренним белкам и, следовательно, не обладают пандемическим потенциалом применительно к человеку. Поэтому прогноз о штаммах H5N1 как вестниках будущей пандемии гриппа не подкрепляется выполненным анализом.

Таблица 2. Отличия по количеству аминокислот внутренних белков некоторых штаммов вируса гриппа от матриц инвариантности пандемических штаммов

Помимо штамма H5N1, другой птичий штамм — H9N2 — рассматривается в качестве возможного виновника будущей пандемии гриппа, поскольку штаммы H9N2, выделенные в последнее время, проявляют улучшенное связывание с рецепторами на клетках человека по сравнению со штаммами 1999 г., свидетельствуя об его адаптировании к человеку [7]. По этому поводу можно заметить, что пандемический потенциал вируса определяется сочетанием нескольких факторов, среди которых и потенциал репродукции вируса в организме хозяина. И то, что штамм H9N2 встречается редко и вызывает у населения лишь легкие инфекции, свидетельствует о слабой его репродукции в организме человека и малой вероятности обретения им в ближайшем будущем пандемического потенциала.

Который следующий? При исключении подтипа H5N1 в качестве возможного виновника будущей пандемии гриппа наиболее вероятными кандидатами на эту роль остаются подтипы H3N2 и H1N1, поскольку подтип H2N2 практически вытеснен из циркуляции в человеческой популяции, а вирусы гриппа типа B мутируют медленно и ни разу не вызывали пандемию гриппа. Который же из подтипов H3N2 и H1N1 — наиболее вероятный виновник будущей прогнозируемой пандемии гриппа? Ранее нами уже анализировалась эта проблема [8], поэтому ограничимся кратким обзором свойств обоих подтипов вирусов гриппа, уточняя его дополнительными данными.

Для вируса H3N2 характерны более высокая изменчивость и патогенность, частое преобладание в эпидсезонах над другими вирусами гриппа. С его заражением связана высокая смертность, и в ряде регионов она бывает даже выше, чем в период пандемий. Считается, что ведущая причина высокой смертности от гриппа — инфицирование вирусом H3N2, объясняя ее наиболее низкой эффективностью используемых вакцин в отношении этого подтипа. Однако перечисленные особенности вируса H3N2 не увеличивают его шансы стать в ближайшей перспективе пандемическим. Для этого обратимся к сопоставлению молекулярных особенностей вирусов H1N1 и H3N2 и предысториям вызванных ими пандемий.

Прежде всего следует отметить различия свойств гемагглютининов H1 и H3, играющих определяющую роль в распространении вирусов и формировании популяционного иммунитета населения. В частности, количество инвариантных позиций у H1 составляет 175, а у H3 — 195. Если принять эти инвариантные позиции как структурообразующие, то H1 превосходит H3 по возможностям возникновения большего разнообразия его первичной структуры. Однако реализация этих возможностей ограничивается другими его особенностями. Так, количество цистеина в H3 на 2—3 остатка больше, чем в H1, что может обеспечивать тримеру H3 в вирионе большую стабильность, допуская большую вариабельность в областях молекулы H3 между остатками цистеинов и большую, чем у H1, скорость изменения H3.

Другим источником большей вариабельности гемагглютинина H3 могут служить особенности его трансляционного кода, под которым понимается совокупность вовлеченных триплетов генетического кода в кодировании конкретного белка. На рис. 2 (на примере HA H1N1 A/South Carolina/1/1918) представлена типичная картина трансляционного кода подтипа H1N1. Гемагглютининам H1 и H3, естественно, соответствуют разные картины вовлеченности триплетов в кодирование их аминокислот и разные ограничения. В случае H3 запреты для всех штаммов H3N2 связаны с триплетами CGT и CGC, кодирующими аргинин, а запрет на использование триплета TCG, кодирующего серин, отмечен лишь у некоторых штаммов. Для гемагглютинина H1 свойствен запрет на использование всего квартета триплетов с корнем CG, кодирующих аргинин (удивительно неизменно сохраняющийся на протяжении более столетия у подтипа H1N1 [6]), из-за чего в гемагглютинине H1 будут, соответственно, ограничения на замены по 8 аминокислотам: глицина, триптофана, цистеина, серина (в случае кодирования его кодонами с корнем AG), пролина, лейцина (в случае кодирования его кодонами с корнем CT), гистидина и глутамина. У гемагглютинина H3 эти ограничения скромнее: они затрагивают частично замены пролина, но полностью охватывают гистидин и цистеин. Последняя особенность H3 очень важна, поскольку обусловливает сохранение постоянства количества и позиций цистеина в его структуре [8].

Рис. 2. Трансляционный код гемагглютинина H1 (H HA H1N1 A/South Carolina/1/1918A H1N1 A/South Carolina/1/1918).

Перечисленные выше особенности объясняют высокую скорость мутирования H3. Благодаря ей, с одной стороны, происходит адаптация вакцинных штаммов вирусов гриппа H3N2 при культивировании их на куриных эмбрионах, в частности из-за изменений в гемагглютинине H3, снижающих эффективность получаемых вакцин, а с другой — циркулирующие штаммы вируса за эпидсезон успевают успешно мутировать, становясь резистентными к используемой вакцине, что приводит к повторному заражению.

Пандемии свойственна глобальность распространения, что требует время и предполагает сохранность пандемического потенциала у ее виновника на длительном протяжении времени, а у самого пандемичемкого вируса необходимо наличие высокого уровня трансмиссивности, инфективности, продуктивной репликации, патогенности и противостояния иммунной системе. Каждый из этих факторов связан со сложной совокупностью молекулярных характеристик вируса. При высокой скорости мутирования у штамма подтипа H3N2 обретенная пандемичность обречена быть эфемерной, поскольку его вакцинные штаммы, как упомянуто выше, успевают измениться еще в процессе выращивания их на куриных эмбрионах. Кроме мутаций, влекущих замены аминокислот в белках, большую роль в формировании функции белка играют синонимические мутации, влияя на котрансляционную укладку белка. Наш анализ гемагглютининов вирусов гриппа показал, что с мутациями, влекущими замены аминокислот в белке, как правило, ассоциированы вдвое больше по численности синонимические мутации, они потенциально способны усиливать эфемерность возникшего пандемического потенциала у вируса. В связи с этим уместно задать вопрос: каким же образом возникла пандемия гонгонгского гриппа 1968 г.? Объяснением этому служит то, что возникший реассортант H3N2 был новым для человечества 60-х годов XX в., так как с исчезновением его предшественника (по гемагглютинину H3) вируса H3N8 в населении Земли сменилось несколько поколений.

По прошествии пандемии 1968 г. подтип H3N2 не исчезал из циркуляции в человеческой популяции, и на протяжении более полувека без его участия не обходится ни одна очередная сезонная эпидемия гриппа. Частота изменения доминантных последовательностей гемагглютинина H3 в 2,3 раза выше, чем у гемагглютинина H1, поэтому иммунная память в человеческой популяции формируется к большему количеству вариаций структуры H3, чем к H1. С другой стороны, как отмечено выше, гемагглютинин H1 эволюционирует медленнее и по сравнению с гемагглютинином H3 обладает большим потенциалом формировать количество вариаций его первичной структуры, поскольку доля инвариантных (структурообразующих) позиций в его молекуле меньше, чем у гемагглютинина H3 [8]. Поэтому иммунная память в человеческой популяции сформирована к меньшему количеству вариаций H1, чем H3, увеличивая шансы нового H1N1 стать пандемическим. И это предположение аргументируется возникновением в 2009 г. пандемии гриппа, вызванной новым реассортантным ПШ именно подтипа H1N1 на фоне социркуляции сезонных штаммов H1N1, которые быстро были им вытеснены, как и штаммы H3N2. Таким образом, меньшая скорость изменения H1, большее количество вариаций его структуры и иммунная история человеческой популяции позволяют предполагать, что вероятным виновником следующей пандемии будет подтип H1N1.

Заключение

Отличия молекулярных характеристик внутренних белков штаммов H5N1 от штаммов гриппа пандемий 1918 и 2009 гг. не дают основания рассматривать его как возможного вестника будущей пандемии гриппа. Добавим, что выполненный нами анализ показал, что на популяционном уровне гемагглютининам вирусов подтипов H3N2 и H1N1 человека свойственна устойчивость структуры, проявляясь в ограниченном изменении их доминантных последовательностей от одного эпидсезона к другому. Это подводит к предположению о невозможности возникновения ПШ в самой человеческой популяции. У штаммов H3N2 и H1N1 свиней и птиц изменения в гемагглютинине происходят со значительно большей скоростью. В связи с этим реалистичным представляется возникновение нового ПШ как реассортанта с новой комбинацией генов, среди которых ген гемагглютинина будет обязательно заимствован не у вирусов человеческого происхождения, а у штаммов свиней или птиц, как это происходило в минувшем столетии с тремя пандемиями гриппа после пандемии «испанки» [8].

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.