Sự tiến hóa của bệnh cúm: Cách các nhà khoa học sử dụng trình tự bộ gen để dự báo tương lai

Sự tiến hóa thường rất chậm, một quá trình thay đổi phải mất hàng ngàn hoặc hàng triệu năm để thấy.

Nhưng đối với bệnh cúm, sự tiến hóa diễn ra nhanh - và gây chết người. Virus cúm thay đổi nhanh chóng để thoát khỏi hệ thống phòng thủ của cơ thể. Cứ sau vài năm, các biến thể mới của bệnh cúm lại xuất hiện và gây ra dịch bệnh trên toàn thế giới.

Kiểm soát sự lây lan của bệnh cúm đồng nghĩa với việc đối phó với sự tiến hóa đang diễn ra này. Mỗi năm, các chuyên gia của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) phải đưa ra dự đoán tốt nhất về việc virus sẽ thay đổi như thế nào để chọn chủng cúm nào được đưa vào vắc-xin hàng năm.

Công việc này là khó khăn và không chắc chắn, và sai lầm có hậu quả thực sự. Trên toàn thế giới, cúm lây nhiễm vài triệu người mỗi năm và gây ra hàng trăm ngàn người tử vong. Trong những năm khi các dự đoán bị mất dấu và mũi tiêm phòng cúm rất khác với các chủng lưu hành, nhiều người dễ bị nhiễm bệnh hơn.

Trong vài năm qua, những tiến bộ trong trình tự bộ gen đã bắt đầu làm sáng tỏ sự khởi đầu của sự tiến hóa của virus, sâu bên trong các bệnh nhiễm trùng. Chúng tôi tự hỏi liệu, đối với bệnh cúm, thông tin này có thể cho chúng ta một cái nhìn sớm về xu hướng tiến hóa toàn cầu trong tương lai.

Một người nhiễm cúm cúm có thể cho chúng ta biết điều gì về sự thay đổi của virus trên toàn thế giới? Hóa ra, một số tiền đáng ngạc nhiên.

Nhìn sâu vào bên trong một Nhiễm trùng

Mỗi bước trong quá trình tiến hóa của cúm bắt đầu với một sai lầm. Khi virus tự sao chép bên trong người bị nhiễm bệnh, đôi khi chúng biến đổi, tạo ra những thay đổi nhỏ cho kế hoạch di truyền của chúng.

Hầu hết các đột biến đều có hại cho virus vì chúng phá vỡ bộ máy cần thiết để hoạt động. Nhưng cứ sau một lần như vậy, một con virus đột biến vẫn sống sót và thậm chí còn phát triển mạnh. Virus chơi một trò chơi mèo và chuột liên tục với hệ thống miễn dịch của con người. Đôi khi, một loại virus đột biến có thể chỉ khác nhau đủ để thoát khỏi thông báo của cơ thể.

Một loại virus đột biến có loại lợi thế này có thể nhân lên nhanh chóng và chiếm ưu thế trong việc lây nhiễm. Cuối cùng, nó thậm chí có thể lây lan từ người sang người, và từ đó, bắt đầu lan rộng khắp thế giới.

Gần đây, nó trở nên dễ dàng hơn để theo dõi sự thay đổi của virus trong cơ thể con người. Những tiến bộ tương tự đã làm cho bộ gen của con người trở nên rẻ và dễ dàng đang thay đổi cách chúng ta nghiên cứu virus. Đối với chi phí giải trình tự bộ gen của một người, chúng ta có thể giải trình tự hàng ngàn vi-rút trong suốt quá trình lây nhiễm để theo dõi các đột biến mới khi chúng phát sinh.

Những đột biến này có thể cho chúng ta thấy virus phản ứng với môi trường đầy thách thức trong cơ thể con người như thế nào. Đối với HIV, nơi nhiễm trùng thường kéo dài hàng năm hoặc thậm chí hàng thập kỷ, sự tiến hóa có thể là đáng kể, ngay cả trong một người. Đặc biệt, virus thường tiến hóa kháng thuốc để đáp ứng với điều trị bằng thuốc kháng vi-rút.

Theo dõi sự tiến hóa của cúm trong 4 lần nhiễm trùng dài

Gần đây chúng tôi đã theo dõi sự tiến hóa của virus ở bốn bệnh nhân ung thư bị nhiễm cúm kéo dài vài tháng. Hầu hết các trường hợp nhiễm cúm kéo dài khoảng một tuần, điều này hạn chế số lượng thay đổi có thể xảy ra. Nhưng ở những bệnh nhân có hệ miễn dịch yếu, nhiễm trùng có thể kéo dài, với những ảnh hưởng nghiêm trọng.

Làm thế nào để cúm thay đổi trong những bệnh nhiễm trùng dài này? Bằng cách giải trình tự virus từ các thời điểm khác nhau trong quá trình lây nhiễm và so sánh bộ gen của chúng, chúng tôi đã có thể xác định các đột biến mới và theo dõi số phận của chúng.

Sự tiến hóa đã hành động trong vài tuần. Một ví dụ rõ ràng là sự kháng thuốc đối với Tamiflu. Các bệnh nhân chúng tôi nghiên cứu đang dùng thuốc để kiểm soát nhiễm trùng của họ. Nhưng, như trong các nghiên cứu trước đây, virus mang đột biến kháng thuốc cuối cùng đã xuất hiện. Những đột biến này có thể giải thích một phần lý do tại sao các bệnh nhiễm trùng kéo dài quá lâu.

Đột biến kháng thuốc khi người Viking thay đổi tiến hóa duy nhất mà chúng ta đã thấy. Một nửa tá virus đột biến, tất cả chỉ hơi khác biệt với nhau, đôi khi sẽ cạnh tranh đồng thời trong một người.

Những virus cạnh tranh làm cho sự tiến hóa trở thành một vấn đề phức tạp. Một đột biến bắt đầu lan rộng một tuần đôi khi sẽ tuyệt chủng vào lần tiếp theo. Có lẽ, nó đã bị loại bỏ bởi một đột biến thậm chí còn tốt hơn.

Trong một số trường hợp, chúng tôi đã tìm thấy các đột biến giống hệt nhau về virus từ các bệnh nhân khác nhau trong nghiên cứu của chúng tôi, mặc dù chúng tôi có thể nói rằng các bệnh nhân không lây nhiễm lẫn nhau. Chúng tôi chỉ rất hiếm khi mong đợi những điều tương tự như vậy xảy ra do tình cờ. Các virus có thể đã tấn công vào các thích ứng tương tự để đối phó với các thách thức tiến hóa. Một số đột biến này có thể đã giúp virus tránh được hệ thống miễn dịch, lặp lại các nghiên cứu khác.

Dự báo tương lai

Hơn nữa, nhiều đột biến trong những bệnh nhân này phù hợp với những đột biến sau đó lan rộng khắp thế giới. Trong các gai của lớp vỏ ngoài cúm flu, giúp virus xâm nhập tế bào chủ, đột biến N225D đã xuất hiện ở ba trong số bốn bệnh nhân trong nghiên cứu của chúng tôi. Vào năm 2015, khoảng 8 năm sau khi bệnh nhân của chúng tôi bị nhiễm bệnh, hầu hết các vi-rút cúm trên toàn thế giới đều có sự thay đổi chính xác.

Đối với chúng tôi, điều này thật bất ngờ. Sự tiến hóa đầy sự đánh đổi và một số đột biến giúp bệnh cúm thích nghi với mọi người có thể làm chậm sự lây truyền từ người sang người. Chúng tôi cũng không biết liệu sự tiến hóa trong các bệnh nhiễm cúm kéo dài bất thường như vậy có phù hợp với mô hình thay đổi trên toàn thế giới hay không.

Nhưng trong nghiên cứu của chúng tôi, sự tiến hóa của bệnh cúm ở từng người cho thấy sự tương đồng đáng kinh ngạc với sự tiến hóa trên toàn cầu. Chúng ta có thể thấy gợi ý về một số xu hướng tiến hóa toàn cầu chỉ trong một vài cá nhân.

Khi các công nghệ tiếp tục được cải thiện, nó trở nên dễ dàng hơn khi nhìn sâu vào bên trong bệnh cúm, giống như chúng ta đã làm. Các phòng thí nghiệm của WHO sắp xếp các chủng cúm từ hàng ngàn người mỗi năm để theo dõi sự tiến hóa của cúm. Các nhà nghiên cứu đang giải trình tự ngày càng nhiều chủng theo cách cho phép chúng ta bắt đột biến khi chúng lần đầu tiên xuất hiện trong từng người.

Mỗi trong số hàng ngàn bệnh nhiễm trùng này giống như một thí nghiệm tiến hóa riêng biệt. Bằng cách so sánh các đột biến xuất hiện trong các bệnh nhiễm trùng khác nhau, chúng ta có thể có được cảm giác về khả năng tiến hóa và các ràng buộc.

Ở đâu đó, dòng thông tin này có thể giúp dự báo sự tiến hóa của cúm. Cho đến nay, ít nhất, nó đã khám phá ra một số quá trình tiến hóa năng động diễn ra trong mỗi chúng ta.

Bài viết này ban đầu được xuất bản trên Cuộc trò chuyện của Kinda Xue và Jesse Bloom. Đọc văn bản gôc ở đây.