Influensutveckling: Hur forskare använder genomsekvensering för att prognostisera framtiden

Evolution är vanligtvis mycket långsam, en förändringsprocess som tar tusentals miljoner år att se.

Men för influensa är utvecklingen snabb - och dödlig. Influensavirus förändras snabbt för att undvika kroppens försvar. Varje få år kommer nya influensavirus fram och orsakar epidemier runt om i världen.

Reglera spridningen av influensa betyder att hantera denna pågående utveckling. Varje år måste experter från Världshälsoorganisationen (WHO) göra sitt bästa giss om hur viruset kommer att förändras för att välja vilka influensastammar som ska ingå i det årliga vaccinet.

Detta arbete är svårt och osäkert, och misstag har verkliga konsekvenser. Influensan infekterar över hela världen flera miljoner människor varje år och orsakar hundratusentals dödsfall. I år när förutsägelser saknar märket och influensafoten är väldigt annorlunda än cirkulerande stammar, är fler människor utsatta för infektion.

Under de senaste åren har framsteg i genom-sekvensering börjat kasta ljus på början av viral utveckling, djupt inom individuella infektioner. Vi undrade om denna information för influensa kan ge oss en tidig glimt av framtida globala evolutionstrender.

Vad kan en enskild persons influensinfektion berätta om hur viruset förändras över hela världen? Som det visar sig, en överraskande mängd.

Ser djupt inne i en infektion

Varje steg i influensautvecklingen börjar med ett misstag. Eftersom virus kopierar sig inom en infekterad person, muterar de ibland, vilket skapar små förändringar i deras genetiska ritning.

De flesta mutationer är skadliga för viruset eftersom de bryter mot den maskin som den behöver fungera. Men varje gång, ett mutantvirus överlever, och till och med blomstrar. Virus spelar ett konstant spel med katt-och-mus med människans immunförsvar. Ibland kan ett mutantvirus vara helt annorlunda för att undvika kroppens uppsägning.

Ett mutantvirus med denna typ av fördel kan föröka sig snabbt och komma att dominera infektionen. Så småningom kan det även sprida sig från person till person, och därifrån börja spridas runt om i världen.

Nyligen har det blivit lättare att spåra hur virus förändras inom människokroppen. Samma framsteg som har gjort det billigt och enkelt att sekvensera mänskliga genomer förändrar hur vi studerar virus. För kostnaden för sekvensering av ett enda mänskligt genom kan vi sekvensera tusentals virus från hela en infektion för att spåra nya mutationer när de uppstår.

Dessa mutationer kan visa oss hur viruset reagerar på utmanande miljöer inom människokroppen. För hiv, där infektioner ofta förra år eller till och med årtionden, kan utvecklingen vara betydande, även inom en enda person. I synnerhet utvecklar virus ofta läkemedelsresistens som svar på antiviral behandling.

Spåra Flu Evolution i 4 långa infektioner

Vi spårade nyligen viral utveckling i fyra cancerpatienter som haft influensavirus som varade i flera månader. De flesta influensainfektionerna varar ungefär en vecka, vilket begränsar mängden förändring som kan uppstå. Men hos patienter med svaga immunsystem kan infektioner pågå länge, med allvarliga effekter.

Hur förändrades influensan inom dessa långa infektioner? Genom att sekvensera virus från olika tider under infektionen och jämföra deras genomer kunde vi identifiera nya mutationer och spåra deras öden.

Utvecklingen handlade om några veckor. Ett tydligt exempel var resistens mot Tamiflu. Patienterna vi studerade tog drogen för att kontrollera sina infektioner. Men, som i tidigare studier, framkom virus som uppvisar drogresistensmutationer. Dessa mutationer kan delvis förklara varför infektionerna varade så länge.

Läkemedelsresistansmutationer var inte de enda evolutionära förändringarna vi såg. Ett halvt dussin mutantvirus, som bara är något annorlunda från varandra, skulle ibland tävla samtidigt i en enda person.

Dessa konkurrerande virus gjorde evolutionen en komplicerad affär. En mutation som började sprida en vecka skulle ibland utgå nästa. Förmodligen blev det outcompeted av en ännu bättre mutation.

I vissa fall fann vi exakt samma mutationer i virus från olika patienter i vår studie, även om vi kunde säga att patienterna inte infekterade varandra. Vi skulle bara mycket sällan förvänta oss att sådana likheter skulle hända på grund av en slump. Virusen kan ha slagit på liknande anpassningar som svar på evolutionära utmaningar. Några av dessa mutationer kan ha hjälpt viruset att undvika immunsystemet, vilket motsvarar andra studier.

Prognos framtiden

Dessutom matchade många mutationer inom dessa patienter mutationer som senare sprids runt om i världen. I spikarna av influensens yttre kappa, som hjälper viruset in i värdceller, uppstod mutationen N225D i tre av de fyra patienterna i vår studie. Vid år 2015 var cirka 8 år efter att våra patienter smittats, de flesta influensavirusen runt om i världen bära exakt samma förändring.

För oss var detta oväntat. Utvecklingen är full av trade-offs, och vissa mutationer som hjälper influensan att anpassa sig hos människor kan sakta sändningen från person till person. Vi visste inte heller huruvida utvecklingen i sådana ovanligt långa influensavirusinfektioner skulle matcha förändringsmönster runt om i världen.

Men i vår studie visade influensavveckling hos individer slående likheter med utvecklingen runt om i världen. Vi kunde se tips om några globala evolutionstrender inom bara några individer.

Eftersom tekniken fortsätter att förbättras blir det lättare att se djupt inuti influensainfektioner, som vi gjorde. WHO labs sekvens influensa stammar från tusentals människor varje år för att övervaka influensa utvecklingen. Forskare ordnar fler och fler stammar på sätt som låter oss fånga mutationer som de först uppstår inom enskilda människor.

Var och en av dessa tusentals infektioner är som ett separat utvecklingsexperiment. Genom att jämföra mutationer som förekommer i olika infektioner kan vi få en känsla av evolutionära möjligheter och begränsningar.

Någonstans längs linjen kan denna typ av information bidra till att förutse influensans utveckling. För närvarande avslöjar det åtminstone några av de dynamiska processerna av evolution som äger rum inom var och en av oss.

Den här artikeln publicerades ursprungligen på The Conversation av Katherine Xue och Jesse Bloom. Läs den ursprungliga artikeln här.