Evoluzione dell'influenza: come gli scienziati utilizzano il sequenziamento del genoma per prevedere il futuro

L'evoluzione è di solito molto lenta, un processo di cambiamento che richiede migliaia o milioni di anni per vedere.

Ma per l'influenza, l'evoluzione è veloce - e mortale. I virus influenzali cambiano rapidamente per sfuggire alle difese del corpo. Ogni pochi anni emergono nuove varianti dell'influenza che causano epidemie in tutto il mondo.

Controllare la diffusione dell'influenza significa affrontare questa evoluzione in atto. Ogni anno, gli esperti dell'Organizzazione mondiale della sanità (OMS) devono fare la loro migliore ipotesi su come il virus cambierà per scegliere quali ceppi di influenza includere nel vaccino annuale.

Questo lavoro è difficile e incerto, e gli errori hanno conseguenze reali. In tutto il mondo, l'influenza infetta diversi milioni di persone ogni anno e causa centinaia di migliaia di morti. Negli anni in cui le previsioni mancano il bersaglio e il vaccino antinfluenzale è molto diverso dai ceppi circolanti, più persone sono vulnerabili alle infezioni.

Negli ultimi anni, i progressi nel sequenziamento del genoma hanno iniziato a far luce sugli inizi dell'evoluzione virale, in profondità nelle singole infezioni. Ci chiedevamo se, per l'influenza, questa informazione potesse darci un primo sguardo sulle future tendenze evolutive globali.

Che cosa potrebbe dirci l'infezione influenzale di una persona su come il virus cambia in tutto il mondo? A quanto pare, una quantità sorprendente.

Guardando in profondità dentro un'infezione

Ogni passo nell'evoluzione influenzale inizia con un errore. Quando i virus si copiano all'interno di una persona infetta, a volte si trasformano, creando piccoli cambiamenti nel loro progetto genetico.

La maggior parte delle mutazioni è dannosa per il virus perché rompono il meccanismo di cui ha bisogno per funzionare. Ma ogni tanto, un virus mutante sopravvive e persino prospera. I virus svolgono un gioco costante di gatto e topo con il sistema immunitario umano. A volte, un virus mutante può essere abbastanza diverso da sfuggire al preavviso del corpo.

Un virus mutante con questo tipo di vantaggio può moltiplicarsi rapidamente e arrivare a dominare l'infezione. Alla fine, potrebbe anche diffondersi da persona a persona, e da lì, iniziare a diffondersi in tutto il mondo.

Recentemente, è diventato più facile monitorare come i virus cambiano all'interno del corpo umano. Gli stessi progressi che hanno reso il genoma umano economico e facile da sequenziare stanno cambiando il modo in cui studiamo i virus. Per il costo del sequenziamento di un singolo genoma umano, possiamo sequenziare migliaia di virus dall'intera infezione per tracciare nuove mutazioni mentre si presentano.

Queste mutazioni possono mostrarci come il virus reagisce agli ambienti difficili all'interno del corpo umano. Per l'HIV, dove le infezioni spesso durano anni o addirittura decenni, l'evoluzione può essere sostanziale, anche all'interno di una singola persona. In particolare, i virus spesso sviluppano resistenza ai farmaci in risposta al trattamento antivirale.

Tracking Flu Evolution in 4 Long Infezioni

Recentemente abbiamo monitorato l'evoluzione virale in quattro pazienti oncologici che hanno avuto infezioni influenzali di diversi mesi. La maggior parte delle infezioni influenzali dura circa una settimana, il che limita la quantità di cambiamenti che possono verificarsi. Ma nei pazienti con un sistema immunitario debole, le infezioni possono durare a lungo, con gravi effetti.

Come è cambiata l'influenza in queste lunghe infezioni? Tramite il sequenziamento di virus di epoche diverse durante l'infezione e il confronto dei loro genomi, siamo stati in grado di identificare nuove mutazioni e tracciare i loro destini.

L'evoluzione ha funzionato nel giro di poche settimane. Un chiaro esempio è la resistenza al Tamiflu. I pazienti che abbiamo studiato stavano prendendo il farmaco per controllare le loro infezioni. Ma, come negli studi precedenti, alla fine sono emersi virus che trasportavano mutazioni di resistenza alla droga. Queste mutazioni potrebbero in parte spiegare perché le infezioni sono durate così a lungo.

Le mutazioni di resistenza alla droga non erano gli unici cambiamenti evolutivi che abbiamo visto. Una mezza dozzina di virus mutanti, tutti leggermente diversi l'uno dall'altro, a volte competerebbero simultaneamente in una sola persona.

Questi virus in competizione hanno reso l'evoluzione un affare complicato. Una mutazione che ha iniziato a diffondersi una settimana a volte si estinguerebbe il giorno successivo. Presumibilmente, è stato superato da una mutazione ancora migliore.

In alcuni casi, abbiamo riscontrato le stesse mutazioni nei virus di diversi pazienti nel nostro studio, anche se potremmo dire che i pazienti non si sono infettati a vicenda. Ci aspettavamo molto raramente che simili similitudini accadessero a causa del caso. I virus potrebbero aver colpito adattamenti simili in risposta a sfide evolutive. Alcune di queste mutazioni possono aver aiutato il virus a evitare il sistema immunitario, facendo eco ad altri studi.

Previsione del futuro

Inoltre, molte mutazioni in questi pazienti combaciavano con le mutazioni che si sono poi diffuse in tutto il mondo. Negli spigoli del mantello esterno dell'influenza, che aiutano il virus a entrare nelle cellule ospiti, la mutazione N225D è emersa in tre dei quattro pazienti nel nostro studio. Nel 2015, circa 8 anni dopo che i nostri pazienti erano stati infettati, la maggior parte dei virus influenzali in tutto il mondo portava lo stesso identico cambiamento.

Per noi, questo è stato inaspettato. L'evoluzione è piena di compromessi e alcune mutazioni che aiutano l'influenza ad adattarsi alle persone possono rallentarne la trasmissione da persona a persona. Inoltre, non sapevamo se l'evoluzione di infezioni influenzali così insolitamente lunghe corrispondesse a modelli di cambiamento in tutto il mondo.

Ma nel nostro studio l'evoluzione dell'influenza nelle singole persone ha mostrato sorprendenti somiglianze con l'evoluzione in tutto il mondo. Potremmo vedere tracce di alcune tendenze evolutive globali in pochi individui.

Man mano che le tecnologie continuano a migliorare, è più facile guardare in profondità le infezioni influenzali, come abbiamo fatto noi. L'OMS ha sequenziato sequenze di influenza da migliaia di persone ogni anno per monitorare l'evoluzione dell'influenza. I ricercatori stanno sequenziando sempre più ceppi in modi che ci permettono di cogliere le mutazioni che si presentano inizialmente nelle singole persone.

Ognuna di queste migliaia di infezioni è come un esperimento evolutivo separato. Confrontando le mutazioni che appaiono in diverse infezioni, possiamo avere un senso delle possibilità e dei vincoli evolutivi.

Da qualche parte lungo la linea, questo tipo di informazioni può aiutare a prevedere l'evoluzione dell'influenza. Per ora, almeno, sta scoprendo alcuni dei processi dinamici di evoluzione che avvengono all'interno di ognuno di noi.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation di Katherine Xue e Jesse Bloom. Leggi l'articolo originale qui.