Czy to, jak przechodzimy COVID-19 zależy od naszych genów?

Dlaczego ludzie w podobnym wieku i stanie zdrowia tak różnie przechodzą COVID-19? Dlaczego niektórzy chorują tak ciężko? Odpowiedź może kryć się w genach, a analiza całego genomu chorych może pozwolić ustalić rolę genów w przebiegu choroby. To może pomóc w opracowaniu nowych sposobów leczenia.

autorzy: dr Elżbieta Kaja, mgr Filip Wolbach

COVID-19 to nowa choroba. Choć w ciągu ostatniego pół roku dowiedzieliśmy się bardzo dużo na jej temat, to wciąż znacznie więcej jest pytań, niż odpowiedzi. Jednym ze sposobów poszerzenia naszej wiedzy jest zastosowanie metod stosowanych przy badaniu przyczyn chorób rzadkich czy nowotworów – sekwencjonowania i analizy całego genomu. Chociaż w przypadku chorób zakaźnych takich jak COVID-19 rola genów człowieka nie jest jeszcze poznana, wiemy już, że mają duży udział.

Ostatnio w prestiżowym czasopiśmie naukowym CELL ukazał się artykuł na ten temat. Autorami tej publikacji są naukowcy z całego świata, w tym także dr Paweł Zawadzki (UAM w Poznaniu oraz MNM DIAGNOSTICS), którzy w ramach konsorcjum COVID Human Genetic Effort (https://www.covidhge.com/) pracują nad zrozumieniem roli genetyki w przebiegu COVID-19.

Link to oryginalnego artykułu: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7218368/

Koronawirusy – jak przebiega zakażenie?

Istnieje siedem znanych koronawirusów zagrażających człowiekowi (CoV), z których trzy spowodowały już w przeszłości duże epidemie [1]. Te trzy wirusy RNA – SARS-CoV-1 (odkryty w 2002 r.), MERS-CoV (2012) i SARS-CoV-2 (2019) – są znacznie bardziej zjadliwe niż pozostałe cztery (HCoV-229E, HCoV-NL63, HCoV-OC43, HCoV-HKU1), które wywołują jedynie symptomy podobne do zwykłego przeziębienia. W przeciwieństwie do SARS-CoV-1 i MERS-CoV, które wywołały lokalne epidemie, SARS-Cov-2 stał się przyczyną globalnej pandemii, która trwa od końca 2019 roku.

Większość zakażeń SARS-CoV-2 przebiega bezobjawowo lub łagodnie, ale w niektórych przypadkach może powodować zagrażające życiu zapalenie płuc. Ciężki przebieg choroby COVID-19 występuje znacznie częściej u pacjentów w wieku powyżej 50 roku życia, a niezmiernie rzadko u dzieci. Dodatkowo, czynnikiem zwiększającym ryzyko ciężkiego przebiegu choroby są choroby współistniejące, takie jak choroby układu oddechowego, sercowo-naczyniowe i metaboliczne. Prawdopodobnie 1 osoba na 1000 poniżej 50 roku życia przejdzie chorobę w sposób ciężki, ale już w populacji osób powyżej 80 roku życia zagrożenie życia wystąpi u 1 osoby na 10, zwłaszcza przy dodatkowym obciążeniu chorobami współistniejącymi. Rola zaawansowanego wieku i chorób współistniejących jako głównych czynników ryzyka choroby COVID-19 jest związana z osłabieniem odporności wraz ze starzeniem się organizmu. To już wiemy od dłuższego czasu, nadal jednak wyzwaniem pozostaje wytłumaczenie tego zjawiska przy pomocy mechanizmów molekularnych, komórkowych i immunologicznych.

Czy to wina genów?

Badacze postawili hipotezę, według której osoby w młodszym wieku z ciężkim przebiegiem COVID 19, które wcześniej były zdrowe, są nosicielami wariantów genetycznych mogących mieć wpływ na przebieg COVID 19. Innymi słowy: jeśli jesteś młody i ciężko przechodzisz COVID-19, być może powodem są pewne warianty twoich genów. Hipoteza ta nie jest jeszcze poparta konkretnymi genetycznymi badaniami epidemiologicznymi nad COVID-19, ale jest konsekwencją klasycznych badań genetycznych, w których zostały zidentyfikowane warianty mające wpływ na przebieg innych infekcji wirusowych (opisane w dalszej części artykułu) [2]. Głównym celem planowanych badań genetycznych jest odkrycie wariantów związanych z ciężkim przebiegiem COVID-19 u młodych, wcześniej zdrowych pacjentów.

W tym celu w ramach powołanego konsorcjum COVID Human Genetic Effort rozpoczęto rekrutację pacjentów z COVID-19 z jak największej liczby ośrodków z całego świata. Badania ukierunkowane są na młodych pacjentów (<50 lat) bez chorób współistniejących, lecz z chorobą COVID-19 zagrażającą życiu. Inicjatywa ta szybko się rozwija, a liczba ośrodków, które rekrutują pacjentów i dołączają do globalnej inicjatywy nieustannie rośnie (obecnie już ponad 200 ośrodków). Zbierane są dane kliniczne pacjentów i próbki krwi, następnie są one wysyłane do ośrodków sekwencjonowania, a dane dotyczące eksomu lub/i całego genomu są analizowane lokalnie w różnych krajach (obecnie jest to ponad 40 ośrodków sekwencjonowania), a dodatkowo również i centralnie przez konsorcjum.

Badane są równolegle dwie możliwości. Jedna z nich dotyczy heterogeniczności, czyli takiej sytuacji, gdy ciężki przebieg choroby może być spowodowany wieloma różnymi mutacjami występującymi w populacji. Druga natomiast dotyczy homogeniczności, czyli sytuacji odwrotnej, gdzie ciężki przebieg choroby będzie spowodowany jedną mutacją obecną w całej populacji. Co ważniejsze, inicjatywa ta z uwagi na swoją globalność ma szanse wykryć również jednorodność genetyczną, jeśli ten sam gen okaże się być zmutowany u pacjentów z odległych geograficznie rejonów. Analiza i porównanie wariantów genetycznych od dużej liczby zainfekowanych tą samą chorobą osobników z różnych środowisk będzie kluczowa, ponieważ pozwoli zidentyfikować rzadkie warianty związane z tą infekcją, co byłby niemożliwe przy użyciu aktualnych baz danych dla „zdrowych” osobników. Duża liczba przeanalizowanych genomów pozwoli również określić ich cechy charakterystyczne dla różnych szerokości geograficznych. Po zidentyfikowaniu tych charakterystycznych cech (tzw. genotypów), ich wkład w rozwój ciężkiego przebiegu COVID-19 zostanie zbadany poprzez analizę pod kątem molekularnym, komórkowym i immunologicznym.

Poza tym naukowcy zakładają, że analiza mutacji związanych z COVID-19 pomoże wyjaśnić ciężki przebieg choroby nie tylko u młodych osób, ale też u starszych posiadających kilka współistniejących chorób. Jedna z hipotez wskazuje, że u osób starszych mechanizm patogenezy może być podobny, pomimo różnych przyczyn leżących u źródeł zaburzeń odporności. Być może otworzy to nowe możliwości terapeutyczne dla tych pacjentów.

W niedalekiej przyszłościpisywany projekt przyczyni siętakże do szybkiego identyfikowania osób „naturalnie odpornych” na zakażenie SARS-CoV-2. Będzie to istotne zwłaszcza w przypadkach, gdy testami serologicznymi nie wykrywa się obecności przeciwciał przeciwko COVID-19 we krwi mimo dużego ryzyka zarażenia związanego z kontaktem z chorymi. Przykładem będą osoby, które pracują w służbie zdrowia, a nie były chore na COVID-19, mimo zdarzającego się słabego zaopatrzenia w środki ochronne. Podobnie wygląda sytuacja osób mieszkających z chorymi na COVID-19, lecz nie wykazujących żadnych objawów. Są to przypadki niezwykle interesujące, których analiza może pomóc w zidentyfikowaniu genów odporności na infekcję wirusową.

Pośród wielu niewiadomych związanych z genetycznym podłożem odporności na COVID-19, jedna rzecz jest pewna: podobnie jak w przypadku innych chorób zakaźnych, będziemy mieli do czynienia z genetyczną różnorodnością odzwierciedlającą wiele poziomów obrony ludzkiego organizmu przed patogenami.

Skąd wiemy, że może chodzić o geny?

Niestety, obecnie nie ma jeszcze żadnych dostępnych informacji na temat genów biorących udział, czy odpowiedzialnych za stan chorych zakażonych SARS-CoV-19, a nawet innymi koronawirusami. Naukowcy muszą więc bazować na wiedzy zgromadzonej w wyniku badań nad innymi chorobami zakaźnymi, spowodowanymi wirusami takimi jak wirus HIV czy wirus grypy. Pomocne w tym temacie będą również zakażanie bakteryjne, na przykład prątkami bakterii Mycobacterium bovis. Naukowcy porównali wiele chorób powodowanych przez wirusy i bakterie, a także zwrócili uwagę na geny, które również w przypadku COVID-19 mogą mieć znaczenie.

Zaczynając od początku….

Od 1950 r. badania genetyczne i molekularne dostarczają informacji o odziedziczonych predyspozycjach do chorób zakaźnych. Badania przeprowadzone na pacjentach i ich rodzinach doprowadziły do odkrycia autosomalnej recesywnej neutropenii i recesywnej agammaglobulinemii sprzężonej z chromosomem X. Te dwa wrodzone „błędy” odporności fachowo nazywane pierwotnymi niedoborami odporności, okazały się dziedziczone według praw Mendla, a ich patofizjologiczny mechanizm został już wyjaśniony.

Wraz z upływem czasu, dzięki kolejnym badaniom nad wrodzonymi wadami systemu immunologicznego u osób pozornie zdrowych z wydolnym systemem odpornościowym, poszerzono listę zmian genetycznych o te wpływające na pojawienie się chorób zakaźnych. Naukowcy zwracają tutaj uwagę na dwa badania, w których genetyczne podstawy podatności na wirusa grypy i Mycobacterium bovis zostały scharakteryzowane u myszy. Udowodniono, że białko kodowane przez gen Mx, chroni myszy przed wirusem grypy [3]. Badania nad Mycobacterium bovis natomiast doprowadziły do pierwszego klonowania pozycyjnego genu myszy, wykazując, że mutacje w białku Nramp1 sprawiają, że zwierzęta są podatne na prątki bakterii [4].

Kolejnymi dobrze udokumentowanymi przykładami chorób o podłożu genetycznym są: choroba MSMD (ang. Mendelian Susceptibility to Mycobacterial Disease), spowodowana wrodzonymi błędami interferonu typu II (IFN-γ), wirus Epsteina-Barra (EBV) i wirus brodawczaka ludzkiego (beta-HPV). Dwie ostatnie choroby zwykle przebiegają łagodnie, jednak w niektórych sytuacjach mogą powodować śmiertelną chorobę ściśle dziedziczoną według praw Mendla. Ciężka choroba indukowana przez EBV może być spowodowana wrodzonymi błędami, które zakłócają unieszkodliwienie limfocytów B zakażonych EBV przez cytotoksyczne komórki T i NK. Natomiast epidermodysplazja verruciformis wynika z zakłócenia kontroli wirusa beta-HPV, zależnego od genów EVER-CIB1 w keratynocytach.

Powyższe badania otworzyły drogę do poznania genetycznego podłoża kolejnych chorób zakaźnych. Doskonałym przykładem jest wirus opryszczki pospolitej 1 (HSV-1) powodujący w około 5-10% przypadków zapalenie mózgu, przez mutacje wpływające na szlaki TLR3 lub snoRNA31 (infekcja przodomózgowia) lub DBR1 (infekcja pnia mózgu). Mutacje te upośledzają wewnętrzną odporność neuronów na HSV-1 w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN). Inne przykłady, bliżej związane z COVID-19, obejmują zapalenie płuc wywołane wirusem grypy, które może być spowodowane wrodzonymi błędami upośledzającymi odporność antywirusową na interferon typu I i III (IFN-α/β i -λ), w tym niedobory IRF7, IRF9 i TLR3, w krążących plazmacytoidalnych komórkach dendrytycznych i / lub komórkach nabłonka płucnego [5] oraz rhinowirusowe zapalenie płuc, które może być spowodowane niedoborem MDA5 indukującego IFN [6]. Zaburzenia te leżą u podstaw ciężkiej choroby wirusowej poprzez upośledzenie odporności przeciwwirusowej typu I i / lub III IFN.

Występowanie znanych mutacji monogenicznych w populacji może również szerzej wyjaśnić patogenezę u pacjentów z COVID-19. Wrodzone błędy odporności takie jak niedobory IFN-γ i IL-17A/F leżą odpowiednio u podstaw mykobakteriozy i kandydozy. Te same infekcje występują u pacjentów z autoprzeciwciałami przeciwko IFN-γ i IL-17A/F oraz u pacjentów zakażonych HIV, którzy mają niski poziom wytwarzania IFN-γ i IL-17A/F przez komórki T CD4 +, co wskazuje na podobny patomechanizm tych infekcji i szersze zastosowanie terapeutyczne IFN-γ

Dwie kolejne znane monogeniczne formy oporności są bardziej bezpośrednio związane z COVID-19. Homozygotyczność mutacji prowadzących do utraty funkcji w genie CCR5 chroni przed CCR5-tropicznym wirusem HIV, a w genie FUT2 chroni przed infekcją norowirusem jelitowym. Podobnie podejrzewa się, że warianty utraty funkcji genu ACE2, kodującego receptor dla SARS-CoV-2, mogą nadawać oporność, podczas gdy warianty hipomorficzne (częściowej utraty funkcji genu) mogą chronić przed ciężką chorobą u zakażonych osób. Zidentyfikowanie genetycznych podstaw oporności na SARS-CoV-2 dostarczy potencjalny cel dla środków farmakologicznych, które będzie można stosować do zapobiegania lub zmniejszania infekcji wirusowej u innych osób.

Czy błędy mogą pomóc?

Podobne mechanizmy immunologiczne, a nawet niektóre z tych samych wrodzonych błędów, mogą stanowić przyczynę poważnego przebiegu zapalenia płuc spowodowanego COVID-19 u wcześniej zdrowych młodych pacjentów. Warto tutaj zwrócić uwagę na wirus grypy, który przy obecnym braku danych dotyczących koronawirusów stanowi najlepsze porównanie do SARS-CoV-19. Poziomy progowe IFN typu I i / lub III dla obrony przed SARS-CoV-2 mogą być podobne do poziomów dla wirusa grypy z 1918 roku, ale wyższe niż dla grypy sezonowej. Kontrola wirusa zależna od IFN może być głęboko zaburzona u pacjentów z wcześnie rozpoznanym zapaleniem płuc, podczas gdy ci, których stan pogarsza się dopiero później, mogą mieć łagodniejszy niedobór IFN lub genetyczne predyspozycje do ciężkiego zapalenia płuc. Wrodzone błędy mogą osłabić odporność w leukocytach lub komórkach płucnych, a także nasilić miejscowe lub ogólnoustrojowe zapalenie. Ciekawym aspektem badań może być ustalenie, czy znane wrodzone błędy stanu zapalnego, takie jak niedobory odporności IL-1 lub IL-6, chronią przed ciężkimi postaciami COVID-19.

Wrodzone błędy odporności w komórkach OUN mogą być związane z rzadszymi powikłaniami neurologicznymi COVID-19. Utrata węchu zgłaszana przez niektórych pacjentów sugeruje, że SARS-CoV-2 może zainfekować opuszkę węchową, z której może zaatakować przodomózgowie, podobnie jak HSV-1 u pacjentów z mutacjami TLR3.

Na podstawie znanych genów, których mutacje warunkują odporność na wyżej wspomniane choroby, podejrzewa się, że w przypadku infekcji COVID-19 czynniki genetyczne mogą również okazać się kluczowe.

„Jak trwoga, to do Boga. W XXI wieku to powiedzenie powinno brzmieć: Jak trwoga, to do naukowca. Tylko systematyczna praca badaczy, lekarzy i pracowników służby zdrowia może doprowadzić do opracowania skutecznego sposobu walki z COVID-19” – podsumowuje dr Paweł Zawadzki.

Wielka zmiana

COVID-19 jest całkowicie nową chorobą, której globalne rozprzestrzenienie się przyćmiło poprzednie epidemie SARS-CoV-1 i MERS-CoV. Obecna pandemia pokazała, że choroby zakaźne są dla nas nadal bardzo groźne, ponieważ w ciągu kilku miesięcy mogą doprowadzić do śmierci tysięcy osób. Obecna sytuacja, jak twierdzą naukowcy, powinna skłonić nas do rozważenia alternatywnego podejścia do badań nad chorobami zakaźnymi. Dzięki możliwościom badania obecnie zarażonych pacjentów COVID-19 zapewnia nam niezrównaną okazję do precyzyjnego zdefiniowania genetycznych wymagań w zakresie kontroli nowo pojawiającej się, zjadliwej infekcji wirusowej. Może właśnie teraz jest czas, aby dokładnie sprawdzić i udowodnić hipotezę, że objawami klinicznymi zakażeń u ludzi oraz nasileniem tych objawów, może kierować genetyka. Szeroki wachlarz objawów, które obserwujemy dla chorych na COVID-19, od całkowitej odporności po śmiertelną wrażliwość, ukazuje jak różnorodne mogą być objawy kliniczne w kontakcie z tym samym patogenem i sugeruje zmianę podejścia do badań nad chorobami zakaźnymi. Ta zmiana paradygmatu otworzyłaby nowe możliwości badania interakcji gospodarz-patogen w trakcie ewolucji, kontrolowania obecnego zagrożenia COVID-19 w ogólnej populacji i rozwoju infrastruktury niezbędnej do zniwelowania przyszłych pojawiających się zagrożeń.