วิวัฒนาการของไข้หวัดใหญ่: นักวิทยาศาสตร์ใช้การจัดลำดับจีโนมเพื่อทำนายอนาคตได้อย่างไร

วิวัฒนาการมักจะช้ามากกระบวนการเปลี่ยนแปลงที่ใช้เวลานานนับพันหรือล้านปีในการมองเห็น

แต่สำหรับไข้หวัดใหญ่การวิวัฒนาการนั้นรวดเร็วและเป็นอันตรายถึงชีวิต ไวรัสไข้หวัดใหญ่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเพื่อหลีกเลี่ยงการป้องกันของร่างกาย ทุก ๆ สองสามปีไข้หวัดใหญ่สายพันธุ์ใหม่จะออกมาและก่อให้เกิดโรคระบาดทั่วโลก

การควบคุมการแพร่กระจายของโรคไข้หวัดใหญ่หมายถึงการรับมือกับวิวัฒนาการต่อเนื่องนี้ ในแต่ละปีผู้เชี่ยวชาญจากองค์การอนามัยโลก (WHO) จะต้องคาดเดาอย่างดีที่สุดว่าไวรัสจะเปลี่ยนแปลงอย่างไรเพื่อเลือกเชื้อไข้หวัดใหญ่สายพันธุ์ใดที่จะรวมอยู่ในวัคซีนประจำปี

งานนี้เป็นเรื่องยากและไม่แน่นอนและความผิดพลาดมีผลกระทบที่แท้จริง ทั่วโลกไข้หวัดใหญ่ติดเชื้อคนหลายล้านคนในแต่ละปีและเป็นสาเหตุของการเสียชีวิตหลายแสนคน ในปีที่ผ่านมาเมื่อการคาดคะเนพลาดเครื่องหมายและไข้หวัดใหญ่สายพันธุ์นั้นแตกต่างจากสายพันธุ์ที่หมุนเวียนผู้คนจำนวนมากมีความเสี่ยงต่อการติดเชื้อ

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมาความก้าวหน้าในการหาลำดับจีโนมเริ่มปรากฏให้เห็นถึงจุดเริ่มต้นของวิวัฒนาการของไวรัสลึกลงไปภายในการติดเชื้อแต่ละครั้ง เราสงสัยว่าสำหรับข้อมูลนี้อาจทำให้เราเห็นแนวโน้มวิวัฒนาการในอนาคตได้หรือไม่

การติดเชื้อไข้หวัดใหญ่ของคนเดียวอะไรบอกเราเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของไวรัสทั่วโลก ตามที่ปรากฎเป็นจำนวนที่น่าแปลกใจ

มองลึกเข้าไปข้างในการติดเชื้อ

ทุกขั้นตอนในวิวัฒนาการของไข้หวัดใหญ่เริ่มต้นด้วยความผิดพลาด เมื่อไวรัสคัดลอกตัวเองภายในผู้ติดเชื้อบางครั้งพวกเขากลายพันธุ์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ น้อย ๆ กับพิมพ์เขียวทางพันธุกรรม

การกลายพันธุ์ส่วนใหญ่เป็นอันตรายต่อไวรัสเพราะทำลายกลไกที่จำเป็นในการทำงาน แต่บ่อยครั้งที่ไวรัสกลายพันธุ์ยังมีชีวิตอยู่และเจริญเติบโตได้ ไวรัสเล่นเกมอย่างคงที่กับแมวและหนูด้วยระบบภูมิคุ้มกันของมนุษย์ บางครั้งไวรัสกลายพันธุ์อาจแตกต่างกันมากพอที่จะหลบหนีจากร่างกาย

ไวรัสกลายพันธุ์ที่มีความได้เปรียบในลักษณะนี้สามารถทวีคูณอย่างรวดเร็วและเข้ามาควบคุมการติดเชื้อ ในที่สุดมันอาจแพร่กระจายจากคนสู่คนและจากนั้นเริ่มแพร่กระจายไปทั่วโลก

เมื่อเร็ว ๆ นี้มันง่ายกว่าที่จะติดตามการเปลี่ยนแปลงของไวรัสในร่างกายมนุษย์ ความก้าวหน้าเช่นเดียวกับที่ทำให้ราคาถูกและง่ายต่อการเรียงลำดับจีโนมของมนุษย์กำลังเปลี่ยนแปลงวิธีที่เราศึกษาไวรัส สำหรับราคาของการหาลำดับจีโนมมนุษย์เพียงตัวเดียวเราสามารถจัดลำดับไวรัสนับพันจากตลอดการติดเชื้อเพื่อติดตามการกลายพันธุ์ใหม่ที่เกิดขึ้น

การกลายพันธุ์เหล่านี้สามารถแสดงให้เราเห็นว่าไวรัสตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมที่ท้าทายภายในร่างกายมนุษย์ได้อย่างไร สำหรับเอชไอวีซึ่งการติดเชื้อมักเกิดขึ้นในช่วงหลายปีที่ผ่านมาหรือแม้กระทั่งหลายสิบปีที่ผ่านมาวิวัฒนาการอาจมีความสำคัญยิ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งไวรัสมักจะวิวัฒนาการการดื้อยาในการตอบสนองต่อการรักษาด้วยยาต้านไวรัส

ติดตามวิวัฒนาการของไข้หวัดใหญ่ในการติดเชื้อระยะยาว 4 ครั้ง

เมื่อเร็ว ๆ นี้เราได้ติดตามวิวัฒนาการของไวรัสในผู้ป่วยโรคมะเร็งสี่รายที่ติดเชื้อไข้หวัดใหญ่นานหลายเดือน การติดเชื้อไข้หวัดใหญ่ส่วนใหญ่มีอายุประมาณหนึ่งสัปดาห์ซึ่ง จำกัด จำนวนการเปลี่ยนแปลงที่อาจเกิดขึ้นได้ แต่ในผู้ป่วยที่มีระบบภูมิคุ้มกันอ่อนแอการติดเชื้ออาจยาวนานเป็นเวลานานโดยมีผลกระทบรุนแรง

ไข้หวัดใหญ่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรในการติดเชื้อระยะยาวเหล่านี้? โดยการเรียงลำดับไวรัสจากเวลาต่าง ๆ ระหว่างการติดเชื้อและเปรียบเทียบจีโนมของพวกเราทำให้เราสามารถระบุการกลายพันธุ์ใหม่และติดตามชะตากรรมของพวกเขา

วิวัฒนาการดำเนินการในเวลาไม่กี่สัปดาห์ ตัวอย่างหนึ่งที่ชัดเจนคือการต่อต้าน Tamiflu ผู้ป่วยที่เราศึกษาได้รับยาเพื่อควบคุมการติดเชื้อของพวกเขา แต่ในการศึกษาก่อนหน้านี้ไวรัสที่มีการกลายพันธุ์ดื้อต่อยาก็เกิดขึ้นในที่สุด การกลายพันธุ์เหล่านี้ส่วนหนึ่งอาจอธิบายได้ว่าทำไมการติดเชื้อนั้นกินเวลานาน

การกลายพันธุ์ดื้อยาไม่ใช่การเปลี่ยนแปลงเชิงวิวัฒนาการเพียงอย่างเดียวที่เราเห็น ไวรัสที่กลายพันธุ์ครึ่งโหลทั้งหมดแตกต่างจากกันเล็กน้อยบางครั้งจะแข่งขันพร้อมกันในคนเดียว

ไวรัสที่แข่งขันกันเหล่านี้สร้างวิวัฒนาการเรื่องที่ซับซ้อน การกลายพันธุ์ที่เริ่มแพร่กระจายในหนึ่งสัปดาห์บางครั้งก็จะสูญพันธุ์ในครั้งต่อไป สันนิษฐานว่ามันถูกครอบงำโดยการกลายพันธุ์ที่ดียิ่งขึ้น

ในบางกรณีเราพบการกลายพันธุ์เหมือนกันแน่นอนในไวรัสจากผู้ป่วยที่แตกต่างกันในการศึกษาของเราแม้ว่าเราสามารถบอกได้ว่าผู้ป่วยไม่ได้ติดเชื้อซึ่งกันและกัน เราแทบจะไม่ได้คาดหวังว่าความคล้ายคลึงกันนี้จะเกิดขึ้นเนื่องจากโอกาส ไวรัสอาจมีการดัดแปลงที่คล้ายกันเพื่อตอบสนองต่อความท้าทายวิวัฒนาการ การกลายพันธุ์บางส่วนเหล่านี้อาจช่วยให้ไวรัสหลีกเลี่ยงระบบภูมิคุ้มกันสะท้อนการศึกษาอื่น ๆ

การพยากรณ์อนาคต

การกลายพันธุ์จำนวนมากภายในผู้ป่วยเหล่านี้จับคู่การกลายพันธุ์ที่แพร่กระจายไปทั่วโลกในภายหลัง ในส่วนของเสื้อชั้นนอกของไข้หวัดซึ่งช่วยให้ไวรัสเข้าสู่เซลล์โฮสต์การกลายพันธุ์ของ N225D เกิดขึ้นในผู้ป่วยสามในสี่จากการศึกษาของเรา ภายในปี 2558 ประมาณ 8 ปีหลังจากผู้ป่วยของเราติดเชื้อไวรัสไข้หวัดใหญ่ส่วนใหญ่ทั่วโลกมีการเปลี่ยนแปลงที่เหมือนกัน

สำหรับเรานี่เป็นสิ่งที่ไม่คาดคิด วิวัฒนาการเต็มไปด้วยการแลกเปลี่ยนและการกลายพันธุ์บางอย่างที่ช่วยให้ไข้หวัดปรับตัวในคนอาจทำให้การส่งผ่านช้าลงจากคนสู่คน เราไม่ทราบด้วยว่าวิวัฒนาการของการติดเชื้อไข้หวัดใหญ่ที่ยาวผิดปกตินั้นจะตรงกับรูปแบบของการเปลี่ยนแปลงทั่วโลกหรือไม่

แต่ในการศึกษาของเราวิวัฒนาการของไข้หวัดใหญ่ในคนแต่ละคนนั้นมีความคล้ายคลึงกับวิวัฒนาการทั่วโลก เราสามารถดูคำแนะนำเกี่ยวกับแนวโน้มวิวัฒนาการระดับโลกได้ภายในบุคคลเพียงไม่กี่คน

ในขณะที่เทคโนโลยียังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่องมันจะง่ายขึ้นที่จะมองลึกลงไปในการติดเชื้อไข้หวัดใหญ่อย่างที่เราทำ ห้องปฏิบัติการขององค์การอนามัยโลกจัดลำดับความสำคัญของสายพันธุ์ไข้หวัดใหญ่จากคนหลายพันคนทุกปีเพื่อติดตามการวิวัฒนาการของไข้หวัด นักวิจัยกำลังจัดลำดับสายพันธุ์มากขึ้นเรื่อย ๆ ในรูปแบบที่ทำให้เราสามารถกลายพันธุ์ได้เมื่อพวกเขาเกิดขึ้นครั้งแรกภายในบุคคล

การติดเชื้อนับพันแต่ละครั้งเป็นเหมือนการทดลองวิวัฒนาการที่แยกจากกัน โดยการเปรียบเทียบการกลายพันธุ์ที่ปรากฏในการติดเชื้อที่แตกต่างกันเราอาจเข้าใจถึงความเป็นไปได้และวิวัฒนาการของข้อ จำกัด

ข้อมูลประเภทนี้อาจช่วยทำนายการวิวัฒนาการของไข้หวัดใหญ่ อย่างน้อยตอนนี้ก็เป็นการเปิดเผยกระบวนการวิวัฒนาการที่เกิดขึ้นภายในตัวเราแต่ละคน

บทความนี้ถูกตีพิมพ์ครั้งแรกใน The Conversation โดย Katherine Xue และ Jesse Bloom อ่านบทความต้นฉบับที่นี่