Verteilung der Genome des Virus. (https://nextstrain.org/) Eine neue Variante von Coronavirus ist im gesamten Vereinigten Königreich verbreitet und wurde in den Vereinigten Staaten, Kanada und anderswo entdeckt. Wissenschaftler sind besorgt dass sich diese neuen Stämme leichter verbreiten können.
Als Evolutionsbiologe untersuche ich, wie Mutation und Selektion im Laufe der Zeit Veränderungen in Populationen beeinflussen. Noch nie hatten wir so viele Echtzeitdaten über die Evolution wie heute SARS-CoV-2 : über 380.000 Genome wurden letztes Jahr sequenziert.
SARS-CoV-2 mutiert während seiner Ausbreitung und führt zu geringfügigen Unterschieden in seinem Genom. Mithilfe dieser Mutationen können Wissenschaftler nachvollziehen, wer mit wem auf der ganzen Welt verwandt ist Familienstammbaum des Virus .
Evolutionsbiologen, darunter auch ich, haben davor gewarnt, die von Mutationen ausgehende Bedrohung überzuinterpretieren. Die meisten Mutationen werden dem Virus nicht helfen, genauso wie es unwahrscheinlich ist, dass das zufällige Treten einer funktionierenden Maschine das Virus bessert.
Aber hin und wieder verschafft eine Mutation oder eine Reihe von Mutationen dem Virus einen Vorteil. Die Daten überzeugen, dass die Mutationen der zuerst im Vereinigten Königreich aufgetretenen Variante namens B.1.1.7 das Virus „fitter“ machen.
Höhere Fitness oder Chance?
Wenn eine neue Variante verbreitet wird, ermitteln Wissenschaftler den Grund für ihre Verbreitung. Die Häufigkeit eines Virus, der eine bestimmte Mutation trägt, kann zufällig zunehmen, wenn:
- getragen von einem Superspreader;
- an einen neuen, nicht infizierten Ort verlegt;
- in einen neuen Teil der Bevölkerung eingeführt.
Die beiden letztgenannten Beispiele werden als „Gründerereignisse“ bezeichnet: Ein schneller Anstieg der Häufigkeit kann auftreten, wenn eine bestimmte Variante in eine neue Gruppe eingeführt wird und ein Lokal startet Epidemie . Zufällige Ereignisse können das erklären Anstieg der Häufigkeit mehrerer verschiedener SARS-CoV-2-Varianten .
Aber B.1.1.7 ist eine Ausnahme. Es zeigt ein sehr starkes Selektionssignal. In den letzten zwei Monaten ist die Häufigkeit von B.1.1.7 in praktisch jeder Woche und Gesundheitsregion in England schneller gestiegen als die von Nicht-B.1.1.7. Diese Daten wurden gemeldet am 21. Dezember 2020 hat dazu beigetragen, Großbritannien zu überzeugen Premierminister Boris Johnson will große Teile des Landes abriegeln und führte zu weit verbreiteten Reiseverboten aus dem Vereinigten Königreich
Die Ausbreitung von B.1.1.7 in England im November und Dezember, mit London oben rechts im Einschub. pic.twitter.com/fVfL0xijcx
— Theo Sanderson (@theosanderson) 8. Januar 2021
Der Aufstieg von B.1.1.7 kann nicht durch ein Gründerereignis in neuen Regionen erklärt werden, denn COVID 19 Bereits im gesamten Vereinigten Königreich kursierten Gründerveranstaltungen in einem neuen Bevölkerungssegment (z. B. im Anschluss an eine Konferenz) sind angesichts der damals weit verbreiteten Beschränkungen für große Versammlungen ebenfalls nicht plausibel.
Unsere Fähigkeit, die Entwicklung von SARS-CoV-2 zu verfolgen, ist auf die enormen Bemühungen der Wissenschaftler zurückzuführen, Daten in Echtzeit auszutauschen und zu analysieren. Aber das unglaublich detaillierte Wissen, das wir über B.1.1.7 haben, ist auch einfach nur reinem Glück zu verdanken. Eine seiner Mutationen veränderte einen Abschnitt des Genoms, der im Vereinigten Königreich für Tests auf COVID-19 verwendet wurde, und ermöglichte so Das Bild der evolutionären Ausbreitung soll aus mehr als 275.000 Fällen gezogen werden .
Evolution in Aktion
Epidemiologen sind zu dem Schluss gekommen, dass B.1.1.7 übertragbarer ist, es gibt jedoch keine Anzeichen dafür, dass es tödlicher ist. Einige Forscher schätzen, dass B.1.1.7 die Anzahl neuer Fälle, die durch eine infizierte Person verursacht werden (Reproduktionszahl oder Rt genannt), um etwa 10 % erhöht 40 und 80 Prozent ; Eine andere vorläufige Studie ergab das Rt stieg um 50-74 Prozent .
Ein Vorsprung von 40–80 Prozent bedeutet, dass B.1.1.7 nicht nur ein wenig fitter, sondern viel fitter ist. Selbst wenn die Selektion so stark ist, erfolgt die Evolution nicht augenblicklich. Unsere mathematische Modellierung sowie die von andere in Kanada und das UNS. , zeigt, dass B.1.1.7 einige Monate braucht, um seinen kometenhaften Aufstieg zu erreichen, da nur ein kleiner Bruchteil der Fälle zunächst die neue Variante trägt.
Für viele Länder, wie die USA und Kanada, wo die Zahl der COVID-19-Fälle bedenklich ansteigt, droht uns eine Variante, die die Übertragung um 40–80 Prozent erhöht, über den Tellerrand zu blicken. Dies könnte zu einem exponentiellen Anstieg der Fälle führen und die ohnehin dürftige medizinische Versorgung überfordern. Der evolutionäre Wandel dauert eine Weile und verschafft uns vielleicht ein paar Wochen Vorbereitungszeit.
Weitere Varianten
Eine Überraschung für die Forscher war, dass B.1.1.7 eine bemerkenswerte Anzahl neuer Mutationen aufweist. B.1.1.7 hat im letzten Jahr 30–35 Änderungen vorgenommen. B.1.1.7 mutiert nicht schneller, scheint aber in der jüngsten Vergangenheit eine Phase schneller Veränderungen durchgemacht zu haben.
(NextStrain/CC BY 4.0)
Das Virus könnte gewesen sein von einer immungeschwächten Person getragen werden . Menschen mit einem schwächeren Immunsystem bekämpfen das Virus ständig, mit anhaltenden Infektionen, wiederkehrenden Runden der Virusreplikation und nur einer teilweisen Immunantwort darauf Das Virus entwickelt sich ständig weiter .
In vorläufigen Forschungsberichten, die noch verifiziert werden müssen, wurden zwei weitere besorgniserregende Varianten beschrieben: eine ursprünglich von Südafrika (B.1.351) und einer von Brasilien (P1) . Bei beiden Varianten kommt es in jüngster Zeit zu übermäßigen Mutationen und einem raschen Anstieg der Häufigkeit innerhalb lokaler Populationen. Wissenschaftler sammeln derzeit die Daten, die erforderlich sind, um zu bestätigen, dass die Selektion für eine höhere Übertragung und nicht der Zufall dafür verantwortlich ist.
Was hat sich geändert, um eine Ausbreitung zu ermöglichen?
Die Auswahl spielt bei der Entwicklung dieser Varianten eine zweifache Rolle. Betrachten Sie zunächst die Rolle bei den Individuen, bei denen die große Zahl der Mutanten entstanden ist. Die 23 Mutationen von B.1.1.7 und die 21 Mutationen von P1 sind nicht zufällig über das Genom verteilt, sondern in dem Gen geclustert, das dafür kodiert Spike-Protein .
Eine Veränderung des Spikes, genannt N501Y, trat unabhängig voneinander in allen drei Varianten sowie bei immungeschwächten Patienten auf, die in der Studie untersucht wurden UNS. Und Vereinigtes Königreich Weitere Änderungen im Spike (z. B. E484K, del69-70) sind in zwei der drei Varianten zu sehen.
Abgesehen von der Spitze haben die drei besorgniserregenden Varianten eine weitere Mutation gemeinsam, die einen kleinen Teil des düster benannten „Nichtstrukturproteins 6“ (NSP6) löscht. Wir wissen noch nicht, was die Löschung bewirkt, aber Bei einem verwandten Coronavirus täuscht NSP6 ein zelluläres Abwehrsystem vor und kann eine Coronavirus-Infektion begünstigen . NSP6 kapert auch dieses System, um zu helfen Kopieren Sie das virale Genom . In jedem Fall könnte die Löschung die Fähigkeit des Virus beeinträchtigen, sich in unseren Zellen festzusetzen und zu vermehren.
Einfachere Übertragung
Die parallele Entwicklung derselben Mutationen in verschiedenen Ländern und bei verschiedenen immungeschwächten Patienten legt nahe, dass sie einen selektiven Vorteil bieten, um dem Immunsystem der Personen zu entgehen, bei denen die Mutationen aufgetreten sind. Für N501Y wurde dies durch Experimente bestätigt in Mäusen .
Doch was ist der Grund für die höhere Übertragungsrate von Mensch zu Mensch? Dies ist schwer zu beantworten, da die vielen Mutationen, die gleichzeitig entstanden sind, nun in diesen Varianten gebündelt sind und jede einzelne davon oder eine Kombination davon zum Übertragungsvorteil führen kann.
Allerdings sind einige dieser Varianten schon früher von selbst entstanden und haben nicht zu einer schnellen Verbreitung geführt. Das zeigte eine Studie N501Y allein hatte nur einen schwachen Übertragungsvorteil , der nur dann schnell ansteigt, wenn er mit der in B.1.1.7 beobachteten Reihe von Mutationen gekoppelt ist.
Während die Evolutionsgeschichte von COVID noch geschrieben wird, zeichnet sich jetzt eine wichtige Botschaft ab. Der 40–80-prozentige Übertragungsvorteil von B.1.1.7 und möglicherweise der anderen Varianten B.1.351 und P1, wird in den nächsten Monaten viele Länder überfordern .
Wir befinden uns in einem Wettlauf gegen die virale Evolution. Wir müssen Impfstoffe so schnell wie möglich einführen, den Zustrom von Varianten durch die Einschränkung von Interaktionen und Reisen eindämmen und der Ausbreitung durch verstärkte Überwachung und Kontaktverfolgung entgegenwirken. 
Sarah Otto , Killam University Professor für Evolutionsbiologie, Universität von British Columbia .
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