Во-первых, давайте начнем с основ. Все живые существа имеют геном.
Геномы состоят из ДНК. В каждой из ваших клеток есть копия вашего генома. Его можно представить себе как инструкцию или книгу рецептов. В геноме содержатся все инструкции или "рецепты", необходимые вашему организму, чтобы работать и выглядеть так, как он выглядит.
Геном человека состоит из 3 миллиардов оснований ДНК четырех различных типов. Каждое основание может быть представлено одной из четырех "букв" в "алфавите" ДНК. Большая часть вашей ДНК будет выглядеть так же, как и ДНК любого другого человека. Но крошечные различия в написании или последовательности этих букв в тысячах генов вашего генома частично объясняют, что делает вас уникальным.
У вирусов тоже есть геномы. Геном вируса может состоять из ДНК или аналогичной молекулы, называемой РНК. По сравнению с вашим геномом, геном вируса очень мал. Например, коронавирусы, такие как вызывающий COVID-19, имеют геном РНК длиной около 30 000 букв (это в 100 000 раз меньше, чем геном человека). Геном вируса гриппа еще короче - около 13 500 букв РНК.
Не все вирусы вызывают у людей болезни. Но в геномах тех из них, которые болеют, есть все инструкции, необходимые для того, чтобы они заражали наши клетки, создавали больше своих копий и распространялись. Небольшие различия в этих инструкциях могут заставить разные вирусы или разные варианты или штаммы одного и того же вируса выглядеть по-разному и действовать по-разному. Ученые могут многое узнать о вирусе, изучив его геном.
Что такое секвенирование генома вируса или секвенирование вирусного генома?
Геномная последовательность вируса - это последовательность или порядок оснований или букв, из которых состоит генетический материал вируса, или его геном. Если бы вы записали
последовательность генома конкретного коронавируса, это была бы серия из примерно 30 000 букв. Главное - расположить их именно в том порядке, в котором они встречаются в конкретном вирусе.
В случае РНК ученые используют буквы A, C, G и U, которые обозначают каждое из четырех оснований РНК: аденин, цитозин, гуанин и урацил. В ДНК все то же самое, только вместо урацила используется буква Т, обозначающая тимин. Процесс, с помощью которого ученые выясняют правильный порядок букв в определенном образце вируса, называется секвенированием генома.
О чем говорит секвенирование генома вируса?
Вирусы и геномы вирусов постоянно меняются. Причина в том, что клетки иногда совершают ошибки.
Когда вирусный геном копируется внутри инфицированной клетки, иногда в него вкрадывается "опечатка". Чаще всего эти орфографические ошибки не имеют большого значения. Но иногда они могут изменить внешний вид или поведение вируса таким образом, что это оказывается важным. Никто не знает, откуда именно взялся вирус, вызывающий COVID-19. Но, вероятно, он возник из коронавируса другого животного, например, летучей мыши, который по ошибке изменился таким образом, что позволил ему заразить людей.
Благодаря секвенированию генома ученые обнаружили этот новый коронавирус человека вскоре после его появления у людей. Сначала они знали, что в Китае люди внезапно заболели респираторными симптомами. Поэтому ученые секвенировали геном образца вируса, взятого у человека, работавшего на рынке, откуда, по их мнению, он мог быть занесен. Сравнив последовательность РНК с другими последовательностями вирусных геномов, полученными в ходе более ранних исследований, они сразу же определили, что это коронавирус, который они раньше не встречали у людей.
Несмотря на то, что это был новый вирус для людей, они сразу же многое узнали о нем на основе его генома. Это объясняется тем, что ученые изучали родственные коронавирусы, которые ранее вызывали вспышки заболевания у людей. Из этих исследований они узнали о некоторых важных частях генома коронавируса, включая ген, кодирующий то, что ученые называют белком-шипом.
Они знали, что этот белок важен для заражения вирусом наших клеток. Они также знали, что он может стать полезной мишенью для вакцин или других методов лечения. Все это они узнали вскоре после открытия коронавируса, потому что смогли составить последовательность его генома и сравнить его с геномами других вирусов.
Таким образом, секвенирование генома может выявить множество полезных вещей.
Оно может идентифицировать новый вирус или рассказать, какой именно вирус вызывает у человека заболевание. Оно может дать ученым идеи о том, как вирус может вызвать у нас болезнь, основываясь на его генах и кодируемых ими белках, а также о том, как попытаться остановить его. Когда вирус распространяется от человека к человеку по всему миру, ученые могут использовать геномные последовательности для отслеживания его перемещения и любых происходящих изменений.
Какова цель секвенирования генома вируса COVID-19 и гриппа?
Ученые отслеживают вирусы гриппа на протяжении десятилетий. Они используют их для сравнения вирусов, существующих сейчас, с теми, которые существовали в прошлом. На основе геномных последовательностей они ищут важные различия в написании определенных генов. Некоторые изменения не имеют большого значения. Но другие влияют на то, насколько легко вирус распространяется от одного человека к другому или насколько тяжело он болеет.
Каждый год ученые используют геномные последовательности вирусов гриппа, чтобы решить, что включить в вакцины против гриппа. Поскольку эти вирусы существуют так давно и постоянно меняются, даже в образцах, полученных от одного человека, больного гриппом, можно найти немного отличающиеся версии. В обычный год ученые регистрируют тысячи вирусов гриппа, чтобы держать их в курсе событий и помогать им принимать решения в области общественного здравоохранения.
В пандемии COVID-19 секвенирование генома сыграло важную роль. Последовательности геномов помогают ученым отслеживать пути распространения коронавируса и его изменения. Они также могут изучать геномные последовательности, чтобы понять, какие изменения стоит опасаться, а какие, возможно, нет.
Например, в одном из исследований в Бостоне использовалось около 800 вирусных геномов, чтобы увидеть, как коронавирус распространялся там на ранних стадиях. На основании крошечных изменений в геномах можно было сказать, что коронавирус попадал в район Бостона десятки раз, приходя из Европы и некоторых районов США. Исследователи также могли сказать, что одна конференция привела к тысячам случаев заражения в Бостоне и других местах по всему миру.
Ученые продолжают изучать последовательность коронавируса, вызывающего COVID-19, чтобы понять, как он развивается, и уловить новые варианты по мере их появления. Этот процесс называется геномным наблюдением.
Геномное наблюдение включает в себя секвенирование большого количества образцов. Он позволяет обнаружить новые варианты, или вирусные геномы, в которых есть одна или несколько мутаций.
Некоторые появляющиеся варианты просто исчезают или не имеют никакого значения. Когда изменения в геноме выглядят так, что могут вызывать беспокойство, ученые классифицируют их как "вариант, представляющий интерес" или "вариант, вызывающий беспокойство". Вы, вероятно, знакомы с такими вариантами коронавируса, как Delta или Omicron.
Одна из причин, по которой ученые рано забеспокоились по поводу Omicron, заключается в том, что этот вариант имеет около 50 опечаток или мутаций в своем геноме. Многие из этих мутаций также находятся в белке spike - части вируса, которую вакцины и наши иммунные системы используют для его атаки.
Благодаря этим изменениям Omicron распространяется быстрее, чем оригинальный коронавирус, вызывающий COVID-19. Ученые ожидают, что новые варианты будут появляться и дальше. Продолжая секвенирование генома и наблюдения, они могут попытаться опередить вирус. Ученые могут использовать секвенирование генома для идентификации и отслеживания любого интересующего их вируса.
Как проводится секвенирование генома вируса?
Сейчас секвенирование генома намного проще и дешевле, чем раньше. Вирусные геномы также легче секвенировать, чем геном человека, из-за их небольшого размера. Вот основные этапы:
Извлечение
. Ученые выделяют РНК или ДНК из образца, в котором есть вирус.
Подготовка образца
. Ученые подготавливают образец. Например, им может потребоваться нарезать РНК или ДНК на более мелкие кусочки или добавить определенные фрагменты к концам. Конкретные шаги зависят от того, какой тип машины используют ученые.
Секвенирование
. Ученые помещают образец в машину для секвенирования. Машина считывает сигналы, которые указывают на порядок оснований или букв в ДНК или РНК.
Анализ
. В итоге машины получат множество строк букв, которые по отдельности не охватывают весь геном. С помощью компьютеров они соберут все это вместе в полную последовательность генома и определят любые различия в новой последовательности по сравнению с другими.
