Ortopoxviruses: past, present and future

Full Text

В настоящее время согласно IX таксономии вирусов (2012 г.) род ортопоксвирусов включает 11 видов возбудителей (табл.1) [1]. До 1991 г. род ортопоксвирусов включал возбудители натуральной оспы, оспы обезьян, оспы коров, оспы мышей (эктромелии), оспы верблюдов и вирус вакцины. Затем по мере применения современных молекулярно-биологических и генетических методов исследований к этим шести представителям рода ортопоксвирусов в 1991 г. добавились вирусы оспы северо-американских енотов и оспы африканских гололаповых песчанок, в 1995 г. — вирус оспы полевок, в 2000 г. — вирус болезни Уасингишу, в 2010 г. — вирус оспы северо-американских скунсов.

 

Таблица 1. Классификация ортопоксвирусов

Представители рода ортопоксвирусов согласно таксономии вирусов
V, 1991 г.	VI, 1995 г.	VII, 2000 г.	IX, 2010 г.
VARV (Variolavirus — вирус натуральной оспы)
MPXV (monkeypoxvirus — вирус оспы обезьян)
CPXV (cowpoxvirus— вирус оспы коров, подвиды — вирусы оспы буйволов и оспы кроликов)
CMLPV (camelpoxvirus — вирус оспы верблюдов)
ECTV (ectromeliavirus — вирус эктромелии)
VACV (vacciniavirus — вирус вакцины)
RCNPV (raccoonpoxvirus — вирус оспы североамериканских енотов)
GBLV (gerbilpoxvirus (Taterapoxvirus) — вирус оспы африканских гололапых песчанок (татер))
	VPXV (volepoxvirus — вирус оспы полевок)
		UGDV (Uasin Gishudisease virus — вирус болезни Уасингишу (по названию кенийской провинции), поражающий лошадей)
			SKPXV (skunkpoxvirus — вирус оспы североамериканских скунсов)
Итого 8 видов	Итого 9 видов	Итого 10 видов	Итого 11 видов

 

Безусловно, что выделению новых видов способствовала расшифровка полноразмерных нуклеотидных последовательностей генома представителей ортопоксвирусов, представленных в международной базе данных GenBank. В американской базе NSBI размещены 57, 52, 76, 105 нуклеотидных последовательностей геномов вирусов натуральной оспы, оспы обезьян, оспы коров и вируса вакцины соответственно [2]. Важно отметить, что отечественные специалисты ГНЦ «ВБ “Вектор”» (п. Кольцово Новосибирской области) первыми завершили секвенирование всего генома вируса натуральной оспы, выделенного в Индии в 1967 г. [3–6].

За последние 15–20 лет заметно возросла активизация очагов оспы обезьян в Центральной Африке [7, 8], оспы коров в Европе [9], оспы буйволов в Юго-Восточной Азии [10–12], оспы верблюдов в Юго-Западной и Центральной Азии [13, 14] и вакциноподобных вирусов в Южной Америке [15]. Хочется отметить, что в 2011 г. в Индии вирус оспы верблюдов преодолел межвидовой барьер и вызвал у трех человек клиническую оспоподобную форму заболевания [16–18]. Аналогично в Северном Судане наблюдались клинические проявления заболевания у людей в период с сентября по декабрь 2014 г. [19]. Данный факт очень насторожил ведущих специалистов мира [20–22]. Это связано с тем, что геном вируса оспы верблюдов на 99,0% гомологичен геному вируса натуральной оспы [23–25]. Фактически совсем немного нуклеотидов отделяет безопасный вирус от эпидемической катастрофы. Специалисты выявили множественные мутации в отдельных генах, в том числе в гене С18L, отвечающем за видовой ген хозяина [23].

Отдельно отмечается выявление трех новых представителей ортопоксвирусов в Северной Америке (оспы полевок, оспы североамериканских енотов и оспы североамериканских скунсов) и двух новых представителей Африки (болезни Уасингишу (по названию кенийской провинции), поражающей лошадей и африканских гололапых песчанок (татер)) [1].

Этому способствует практическое отсутствие противооспенного иммунитета после ликвидации натуральной оспы и прекращения иммунизации населения в мире на фоне активного вмешательства человечества в дикую природу. С каждым годом человеческая популяция становится все менее защищенной от инфекций, обусловленных ортопоксвирусами. При появлении нового ортопоксвируса, подобного вирусу натуральной оспы, мир столкнется с угрозой, намного более серьезной, чем «свиной» или «птичий» грипп.

Важно отметить, что даже спустя 40 лет после ликвидации натуральной оспы актуальность ее затмевает все другие инфекции (рис. 1, 2). Особенно это стало заметно после конвертной войны в США в 2003 г. Это связано в первую очередь с тем, что периодически в различных специализированных вирусологических лабораториях мира специалисты находят случайно «забытый» возбудитель натуральной оспы.

 

Рис. 1. Процентное соотношение научных публикаций, представленных в американской базе NSBI за 1969–2017 гг., посвященных натуральной оспе, оспе обезьян, оспе коров и оспе верблюдов (всего)

 

Рис. 2. Количество научных публикаций, представленных в американской базе NSBI за 1969–2017 гг., посвященных натуральной оспе, оспе обезьян, оспе коров, оспе верблюдов (по годам)

 

Так, в марте 2004 г. струпья от больного натуральной оспой были обнаружены в конверте, вложенном в книгу о медицине эпохи Гражданской войны в Санта-Фе, Нью-Мексико, США. Конверт был передан ученым из различных подразделений Центра по контролю и профилактике заболеваний с возможностью изучения и сохранения возбудителя [26].

В июле 2014 г. в Управление по надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) при проведении генеральной уборки в холодильнике одной из бывших лабораторий Национального института здравоохранения в Bethesda, штат Мэриленд, было обнаружено несколько пробирок с культурами штаммов различных возбудителей опасных болезней, хранившихся без присмотра c 1960-х годов. Среди них находилось 6 ампул с лиофилизированным вирусом натуральной оспы, помещенных в должным образом упакованную и подписанную картонную коробочку. Похоже, они провели на полках «холодной комнаты» не один десяток лет. Важно отметить, что вирус натуральной оспы сохранил свою жизнеспособность, 24 февраля 2015 г. ампулы были уничтожены под надзором представителя ВОЗ [27].

В сентябре 2016 г. в ходе плановой ревизии хранилищ Института инфекционных болезней армии США (USAMRIID, Форт-Детрик), в которых содержались возбудители особо опасных инфекций, на дне одного из 200 «танков» найдены неучтенные ампулы с возбудителями натуральной оспы, лихорадки Эбола, венесуэльского энцефаломиелита лошадей, сибирской язвы и др. Компетентные органы США не исключают, что эти случаи не единичны. Важно отметить, что Центр профилактики и контроля за инфекционными болезнями США (СDC) вследствие ряда грубых нарушений биологической безопасности в лабораториях USA MRIID неоднократно приостанавливал на некоторое время работы с возбудителями I, II групп патогенности и лишь 23 ноября 2019 г. частично разрешил возобновить подобные исследования в учреждении [28].

Отечественные и зарубежные специалисты не исключают, что в результате мутации одного из ортопокс-вирусов животных может появиться сходный с вирусом натуральной оспы возбудитель [20, 29]. Поэтому в мире уделяют большое внимание совершенствованию существующих в мире и разработке новых оспенных вакцин II–IV поколений [30]. К 2015 г. суммарный объем запасов оспенной вакцины у ведущих стран мира составил 600–700 млн доз, увеличившись за последние 10 лет более чем в 20 раз (в 2005 г. на хранении было 29,8 млн доз) [29, 31].

Современные научно-методические подходы по изучению ортопоксвирусов позволили специалистам ФГБУН «ГНЦ ВБ “Вектор”» Роспотребнадзора рассчитать скорость накопления мутаций в геноме ортопоксвирусов, которая составила 1,7–4,8·10^–6 нуклеотидных замен на сайт в год. Разделение поксвирусов на современные роды от вируса-прародителя началось примерно 500 тыс. лет назад. Предшественник рода Orthopoxvirus появился около 300 тыс. лет назад, разделение его на современные изученные виды произошло примерно 14 тыс. лет назад (рис. 3) [24, 25].

 

Рис. 3. Эволюция поксвирусов

 

Филогенетический анализ данных, полученных при изучении полиморфизма длин рестрикционных фрагментов, покрывающих в сумме полные геномы штаммов вируса натуральной оспы, находящиеся в российской коллекции, позволил установить, что геном вируса натуральной оспы в целом высококонсервативен, но имеются относительно вариабельные районы 5ʹ и 3ʹ концевых участков «плюс» цепи ДНК. При этом был обнаружен высокий уровень гомологии западноафриканских и южноамериканских вариантов вируса натуральной оспы (ВНО) [32, 33].

На основе Байесовского анализа биогеографического разнообразия штаммов была впервые определена скорость молекулярной эволюции ортопоксвирусов. Расчеты показали, что эволюционно близкие к вирусу натуральной оспы виды — вирус оспы верблюдов и татерапокс-вирус — отделились от единого предка (по-видимому, вируса грызунов) около (3,4±0,8) тыс. лет назад [24, 25].

Определение геномных различий между группами штаммов вируса натуральной оспы с использованием двухпараметрической модели нуклеотидных замещений Кимуры позволило выявить взаимосвязи между 70 изолятами этого вируса, характер их кластеризации, а также определить степень меж- и внутригрупповой изменчивости кластеров штаммов [33].

Анализ, вероятно, произошедших рекомбинаций с использованием метода Хадсона и Каплана показал, что наступления статистически достоверных рекомбинационных событий в геноме изученных штаммов вируса натуральной оспы, за единственным исключением, не происходило [33].

Сравнительный анализ нуклеотидных и расчетных аминокислотных последовательностей вариабельных открытых рамок трансляции — концевых протяженных сегментов генома большого набора штаммов вируса натуральной оспы выявил локус, перспективный для генотипирования вируса по географическому признаку — открытых рамок трансляции O1L вируса натуральной оспы [33].

В процессе эволюции род Orthopoxvirus разделился на две основные ветви. При этом генетическая картина эволюции весьма разнообразна и значительно различается для отдельных ортопоксвирусов [24, 30]. Методической основой выявления и идентификации патогенных для человека ортопоксвирусов являются мультиплексная ПЦР в реальном времени и секвенирование вариабельных участков генома.

Важно отметить, что в 2010, 2015 и 2017 гг. в Грузии (Ахметинском и Ванском районах), США (на Аляске) и в Италии выявлено еще три новых представителя рода ортопоксвируса, а именно вирусы Ахмета, Аляска, оспы кошек соответственно [34–37]. Несомненно, вновь наблюдаются значимые эволюционные изменения в геноме ортопоксвирусов, что действительно все больше настораживает специалистов.

В завершение отметим, что именно современные научно-методические подходы к изучению ортопоксвирусных инфекций позволяют прогнозировать современные угрозы, влияющие на биологическую безопасность Российской Федерации.

Дополнительная информация

Источник финансирования. Поисково-аналитическая работа проведена на личные средства авторского коллектива.

Конфликт интересов. Авторы данной статьи подтвердили отсутствие конфликта интересов, о котором необходимо сообщить.

Участие авторов. Г.Г. Онищенко — формулировка общей концепции работы и обобщающих выводов; И.А. Кириллов — обоснование теоретической и практической значимости предполагаемой работы; А.А. Махлай — обобщение данных литературы по молекулярной биологии представителей рода Orthopoxvirus; С.В. Борисевич — обобщение данных литературы по эволюции и биологических свойствах. представителей рода Ooxvirus. Все авторы внесли существенный вклад в проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию до публикации.

About the authors

Gennady G. Onishchenko

I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University); Russian Academy of Sciences

Email: 48cnii@mil.ru

MD, PhD, Professor, Academician of the RAS

Россия, 8-2, Trubetskaya street, Moscow, 119992; 14, Leninskii boulevard, Moscow, 119991

Igor A. Kirillov

Management of the Сhief of the Nuclear, Biological and Chemical Protection Troops of the Armed Forces of the Russian Federation

Email: 48cnii@mil.ru

MD, PhD

Россия, Moscow

Alexander Makhlai

48 Central Scientifi c Research Institute

Email: 48cnii@mil.ru

MD, PhD, Professor

Россия, Sergiev Posad, Moscow Region

Sergei Borisevich

Russian Academy of Sciences; 48 Central Scientifi c Research Institute

Author for correspondence.
Email: sp_borisevich@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6742-3919

MD, PhD, Professor

Россия, 14, Leninskii boulevard, Moscow, 119991; Sergiev Posad, Moscow Region

References

Supplementary files