Podcast: Play in new window
| Download

Тема грипу є актуальною на сьогоднішній день. Майже кожного року ми бачимо цей вірус в новинах. SARS, пташиний грип H5N1, свинячий грип H1N1. Кожне з цих захворювань викликає медіа штром навколо всього світу, який супроводжується панікою серед звичайних людей.
Ми також помітили, що в Україні немає цікавих і інформативних ресурсів на тему грипу, що і спричиняє такі речі, як те, що відбувалося восени минулого року, коли у нас була перша хвиля H1N1. До речі, цей H1N1, якого ми так боялися, нікуди не дівся. Цікаво, що відтепер деякий час він буде циркулювати як сезонний грип. Це не є чимось страшним і незвичайним.
Наступна стаття є перекладом статті, яку опублікував хакер Банні у своєму блозі. Не завжаючи на те, що ця людина більшу частину свого життя провела займаючись взломами різних систем (він став відомим завдяки взлому ранніх версій Xbox), стаття, написана дуже компетентно. Нам її рекомендували професори, які ведуть подкаст This Week in Virology.
Отже, представляємо Вашій увазі

Не – комп’ютерні віруси для програмістів, або як перетворити H1N1 на вірус-убивцю

Я прочитав фантастичну статтю в журналі «Nature» (випуск 459, ст. 931-939 (18 червня 2009р.)), яка не лише підсумовує поточний стан грипу H1N1 (так званого Свинячого або Мексиканського грипу), але й порівнює його з тенденціями інших видів грипу. Зокрема, там детально розглядається, як патогенні компоненти — тобто такі, що вбивають нас — уподібнюються одні до одних.
Насправді, вірус грипу є захоплюючим. Давайте, розглянемо його детальніше.

Порівняння з комп’ютерним вірусом

Скільки потрібно біт, щоб вбити людину?
Вірус H1N1 було послідовно всебічно досліджено і він увійшов до бази даних Видів Вірусів Грипу Національного центру біотехнологічної інформації (далі: НЦБІ). Наприклад, зразок грипу, відомоий під назвою A/Italy/49/2009(H1N1), був виділений з носа 26-літньої самки homo sapiens, яка поверталася із Сполучених Штатів Америки до Італії (мені подобається специфіка цих даних). Весь ланцюжок ДНК розміщено на веб-сайті НЦБІ. Ось перші 120 біт послідовності:

atgaaggcaa tactagtagt tctgctatat acatttgcaa ccgcaaatgc agacacatta

Зверніть увагу, що кожен символ передає 2 біти інформації. Якщо ми захочемо представити попередній рядок за допомогою амінокислотної послідовності, користуючись пошуковою таблицею пептидів, ми отримаємо:

MKAILVVLLYTFATANADTL

Наведений вище рядок – це код білка, у який транслюється попередня послідовність амінокислот.
В даному випадку, кожен знак символізує амінокислоту, яка є еквівалентом 6 біт (3 ДНК-еквівалентних кодонів на амінокислоту). М означає метіонін, К — лізин, А — аланін (таблицю з поясненнями можете знайти тут).
Для тих, хто не розуміється на молекулярній біології: ДНК — це інформаційний еквівалент до РНК з відображенням 1:1; ДНК — це наче програма, записана на диску, а РНК — наче програма, завантажена в оперативну пам’ять. При завантаженні ДНК відбувається транскрипція, і основи “Т” замінюються “U”. Пам’ятайте, що кожна базова пара відповідає одному з чотирьох можливих символів (А [T / U] П С), тому одна пара відповідає 2 бітам інформації.
Білки є результатом роботи програми РНК. Вони синтезовані відповідно до інструкцій РНК у відображенні 3 до 1. Про білки можна думати як про пікселі в буфері кадрів. Повністю сформований білок — це як зображення на екрані. В білку, кожна амінокислота—як піксель; кожен піксель має глибину 6 біт (відображення середовища, у якому кожна базова пара зберігає 2 біти, в маштабі 3 до 1). Кожен піксель повинен пройти через палітру кольорів (таблицю тлумачення кодонів) для того, щоби перетворитися на чисті дані і, в кінцевому результаті, на кольоровий піксель на екрані. На відміну від буферу кадрів комп’ютера, різні біологічні білки складаються з різної кількості амінокислот (різної кількості пікселів).
Щоб показати це на конкретному прикладі, шість біт, які на вашому жорсткому диску (ДНК), зберігається як «ATG», завантажується в оперативну пам’ять (РНК) як «AUG» (пам’ятаєте транскрипції T-> U). Коли програму РНК в оперативній пам’яті буде виконано, то «AUG» буде витлумачено як піксель (амінокислота) кольору М, тобто метіонін (який, між іншим, є кодоном біологічного «старту», першою інструкцією в кожній дійсній програмі РНК). Оскільки ДНК та РНК еквівалентні 1:1, для простоти в біоінформатиці послідовність генів завжди подається у ДНК форматі, навіть якщо біологічний механізм є у форматі РНК (як і у випадку з грипом — більше про це – далі).
Гаразд, повертаємося до суті цієї статті. Послідовність амінокислот, яку я навів вище,кодує ген HA, який виробляє білок гемаглютинін, а конкретно його різновид H1. Це H1, яке вживається у позначенні H1N1.
Якщо ви сприймаєте організми як комп’ютери з адресами IP, тоді кожна функціональна група клітин в організмі буде прислухатися до навколишнього середовища за рахунок її власних активних портів. Отож, як порт 25 відноситься до SMTP-послуг (Простий Протокол Пересилання Пошти) на комп’ютері, тоді порт H1 відноситься до ділянки трахеї в людини. Цікаво, що цей самий порт H1 активний в кишковому тракті у птахів. Таким чином, один і той самий вірус H1N1 атакуватиме дихальну системи в людині і кишечник в птахах. На відміну від цього, H5, — підвид білка, присутній в H5N1, тобто так званому смертоносному «пташиному грипі», —відповідає порту у внутнішніх людських легенях. В зв’язку з цією особливістю, H5N1 є набагато більш небезпечним для життя, оскільки він атакує внутрішні тканини легенів людини, що і викликає важку форму пневмонії. H1N1 є значно менш загрозливим, тому що він атакує значно менш небезпечний порт, при цьому змушуючи вас часто видувати ніс і багато кашляти, замість того, щоб переставати дихати.
Дослідники продовжують все більше дізнаватися про підтип H5. В статті журналу «Nature» припускається, що, люди з певними мутаціями мають легені, клітини в яких не прослуховують порт H5. Отож, люди з такою мутацією, яка яка дозволяє їх легеням ігнорувати порт H5, мають більше шансів вижити після зіткнення з інфекцією Пташиного грипу, в той самий час, як на усіх решта чекає грип з дуже паршивим перебігом.
Тож скільки біт в цьому випадку має H1N1? За моїм підрахунком, кількість біт – це приблизно 26,022. Реальна кількість бітів —25,054; я кажу приблизно, тому що вірус містить еквівалент коду, який модифікує себе сам – для створення двох білків з різних частин одного гена (це власне дуже цікаво), тому важко сказати, що вважати кодом, а що – командами операції нічого не роблення (NOP, no-operation – асемблерна команда, яка каже процесорові, що протягом наступного такту не слід нічого робити), які необхідні для самостійної модифікації коду.
Виходить, необхідно всього близько 25 кілобіт – 3,2 кбайт даних коду вірусу, який має вагомий шанс вбити людину. Це ефективніше, ніж комп’ютерні віруси, скажімо MyDoom, що досягають близько 22 Кбайт.
Це просто принизливо, що 3.2 КБайт генетичних даних – достатньо щоби мене вбити. З іншого боку, в 850 МБайт даних в мого геному ймовірніше за все знайдеться одна-дві вразливості.

Розсекречуючи Свинячий грип

Одним з цікавих наслідків після прочитання цієї статті в «Nature» і одержання доступу до генетичного коду вірусу, стало те, що я тепер знаю, як тепер його змінити для того, щоби зробити більш смертоносним.
Ось як:
В «Nature» зазначається, що варіанти гену грипу PB2 з глутаміновою кислотою знаходяться в положенні 627 в послідовності і відзначаються низькою патогенністю (не дуже смертельно). Однак, у варіанті PB2 з лізином в тому самому положенні можуть бути більш смертельними. Що ж, давайте подивимося послідовність PB2 для H1N1. Повертаючись до нашої бази даних NCBI:

601 QQMRDVLGTFDTVQIIKLLP
621 FAAAPPEQSRMQFSSLTVNV
641 RGSGLRILVRGNSPVFNYNK

Як ви можете побачити з наведеної вище анотації, позиція 627 містить «E», що є кодом для глутамінової кислоти. На щастя, — це менш смертельна версія. Можливо саме тому від зараження H1N1 померло значно менше людей, ніж медіа цього очікували. Давайте знову звернемось до коду ДНК:

621   F  A  A   A  P  P   E   Q   S   R
1861 tttgctgctg ctccaccaga acagagtagg

Як бачите, маємо тут кодування «GAA» для «E» (глутамінова кислота). Щоби змінити цей геном на більш смертоносний, нам просто потрібно замінити «GAA» одним з кодів для лізину («K»), який тут або «AAA» або «AAG». Таким чином, варіант H1N1 з більш небезпечним для життя кодуванням читатиметься таким чином:

621   F  A  A   A  P  P   K   Q   S   R
1861 tttgctgctg ctccaccaaa acagagtagg
                               ^ змінено

Ось. Зміна баз однієї пари та перевертання двох біт — це все, що необхідно для того, щоб перетворити наш звичайний вірус Свинячого грипу H1N1 в більш смертоносний.
Теоретично, я міг би застосувати довгий ряд відомих біологічних процедур для того, щоб синтезувати це все і власне кажучи втілити цей смертоносний варіант грипу в життя. Для початку, я міг би зайти на будь-який з веб-сайтів, на яких можна замовити синтез ДНК (наприклад, ось цей з чарівною назвою «Mr. Gene»), і замовити модифікований ДНК для того, щоб реалізувати мій маленький сметоносний проект. Це би коштувало трошки більше за $1000. Зазначимо, що Mr. Gene слідкує за замовленням виготовлення ДНК, які можуть бути використані для реалізації біологічно небезпечних продуктів. Я не знаю, чи вони специфічно слідкують за HA, такими як, наприклад, модифікований варіант N1. Навіть якщо й так, існують добре відомі протоколи, які можуть бути використаними для зміни одної пари з РНК матеріалу, витягнутого із звичайного H1N1 (протоколами називаються процедури, які виконуються над біоматеріалом для досягнення поставленої цілі. Наприклад, якщо ми збираємося ввести новий ДНК в клітину, для цього є специфічний протокол, який описує, що і як треба зробити) .
[Щойно помітив цю цитату в статті журналу «Nature»: Дж. Нейман та ін. «Генерація вірусів грипу А з повністю клонованих кДНК», Праці Національної академії наук (Proceedings of the National Academy of Sciences), США 96, 9345-9350 (1999). Ця стаття розповість вам, як «зробити самому» грип А. Чудове чтиво].

Адаптивний грип

Гаразд, давайте перш ніж розлютитись віддамо грипові честь; в кінці кінців, — весь смертоносний код цього вірусу вміщається в 3.2 кбайт і, незважаючи на всі наші зусилля, ми не можемо позбутись його. Чи міг цей вірус виникнути сам по собі?
Коротка відповідь буде «так».
Насправді, вірус грипу еволюційно розвинувся так, щоб максимілізувати свою адаптивність. Зазвичай, коли копіюється ДНК, по ньому проходить спеціалізований білок, який слідкує за тим, щоби при копіюванні не було допущено помилок. Це забезпечує досить низький рівень помилок. Однак, пам’ятайте, в грипі використовується структура РНК, а тому він потребує інших механізмів копіювання, аніж ДНК.
Виявляється, що всередині оболонки віруса грипу також знаходиться білковий комплекс (РНК-залежної РНК-полімерази), який пристосований до його стилю копіювання РНК. Важливо, що він не включає білок, який перевіряє помилки. В результаті, при копіюванні кожних 10,000 базових пар, допускається близько однієї помилки. Яка довжина геному грипу? Він має 13,000 базових пар. Таким чином, в середньому, в кожній копії вірусу грипу відбувається одна випадкова мутація.
Деякі з цих мутацій не приносять ніякої шкоди, інші —роблять вірус нешкідливим, а ще інші — запросто можуть зробити вірус значно більш небезпечним. Оскільки віруси відтворюються та розподіляються в астрономічних кількостях, то ймовірність того, що маленька похибка може зустрітись насправді досить велика. Як на мене, це ще одна причина, чому працівники охорони здоров’я так турбуються про H1N1: у нас немає до нього опірності, а ще, навіть якщо сьогодні цей грип не є серйозною проблемою, декілька мутацій підряд це можуть виправити.
Насправді – напевно для мене найкраще було би заразитися тим підтипом грипу H1N1, який циркулює сьогодні, оскільки його патогенність на сьогоднішній день відповідає звичайному варіантові грипу — відштовхуючись від даних у статті, Центр Контролю і Профілактики Захворювань США зареєстрував 87 випадків смерті з 21,449 підтверджених випадків захворювання, тобто 0,4% смертності (на відміну від “нормального” грипу < 0,1%, в той же час як страшний Іспанський грип 1918 року склав близько 2,5% смертності; смертність H5N1, або Пташиного грипу, становить більше 50 %(!), але, на щастя, він вкрай рідко розповсюджується на людей). Якщо би я сьогодні заразився на H1N1, то таким чином я би отримав бонус до природнього імунітету до H1N1, який мені пригодиться тоді, коли цей вірус мутує і повертається знову. Що не вбиває, робить нас сильнішими!.. Або з іншого боку, може я краще почекаю, поки винайдуть вакцину.
Крім дуже високого рівня мутацій, який гарантований структурою вірусу, є ще одна особливість архітектури вірусу. Цей нюанс полягає в тому, що генетична інформація зберігається всередині вірусу як 8 окремих фрагментів РНК, а не як одна безперервна ланка (як в багатьох інших вірусах чи живих клітинах). Чому це важливо?
Припустімо, що відбудеться, в разі якщо тіло буде інфіковано двома типами грипу водночас. Якщо б гени зберігалися у вигляді суцільної ланки ДНК, можливість перемішування генів між цими двома видами грипів була б мізерною. Однак, оскільки грип зберігає 8 окремих фрагментів РНК, вони вільно перемішуються всередині інфікованої клітини і випадковим чином групуються в пакети, які перетворюються на нові віруси. Таким чином, якщо вам достатньо не пощастило, щоб отримати два типи грипу одразу, то в результаті виникає новий вид грипу, оскільки частинки РНК копіюються, змішуються і фіксуються в метафоричному капелюсі і врешті розподіляються у вірусні частинки. Такий процес є дуже витонченим, оскільки цей самий механізм дає змогу змішувати довільну кількість елементів в одному тілі: якщо ви можете заразити клітину трьома або чотирьма типами грипу водночас, то в результаті спровокуєте виникнення навіть бурхливішого виду грипу.
Це одна з причин, чому новий H1N1 називають «потрійним реассорантним» вірусом. Чи через серію подвійних інфекцій, або, можливо, одну згубну інфекцію різноманітних видів грипу, новий H1N1 поєднав ті фрагменти РНК, які забезпечують йому високу швидкість передачі даних до вірусу, що зважаючи на невроджений людський імунітет, є сприятливими обставинами для пандемії.
Я не відстежував останніх зусиль винахідників комп’ютерних вірусів, але якщо б існував комп’ютерний грип за аналогією змішувальної моделі РНК, то це був би вірус, який поширював би себе у формі від’єднаного об’єктного коду файлів плюс невелика допоміжна програма, яка при інфікації носія спочатку перемішала б свої файли у випадковій послідовності перед копіюванням і перерозподілом. Окрім цього, він шукатиме схожі віруси, якими вже може бути заражено комп’ютер, і в разі якщо щось знайде, вірус з’єднуватиме об’єктні коди з відповідними шаблонами функцій тих чи інших вірусів. Це перемішування та нове з’єднування коду саме по собі дозволяє обманути деякі види антивірусного програмного забезпечення, яке шукає віруси, базуючись на їх ,,підписах,,. Крім того, це спричинить поширення різноманітних некерованих вірусів з менш передбачуваними властивостями.
Вірус грипу виділяєтсья своєю здатністю до багаторвіневої адаптації, яка включає довгограючий механізм точкових мутацій, які дозвляють йому повільно еволюціонувати, а також механізм, що різко змінює властивості вірусу на генному рівні в одному поколінні шляхом змішування з іншими вірусами (це не зовсім як секс, але, ймовірно, так само ефективно, якщо не краще). Також дивовижно, що ці дві важливі властивості вірусу виникають в результаті використання РНК замість ДНК як генетичного носія. (Загалом, РНК є значно більш мінливою за ДНК, що еволюційно і привело до утворення останньої як носія генетичної інформації)

Джерело: On Influenza A (H1N1)