Кузьмин В.А.химия · биология
Все статьи

COVID-19 и SARS-CoV-2: вирус, болезнь, вакцины и последствия пандемии

В конце декабря 2019 года в больницы китайского города Ухань стали поступать люди с тяжёлой пневмонией неизвестного происхождения. Многие из них бывали на местном рынке морепродуктов, где продавали и диких животных. Уже через несколько дней китайские учёные выделили из лёгких больных новый вирус, а 10–11 января 2020 года его полный геном — около 30 тысяч нуклеотидов РНК — был выложен в открытый доступ [1]. Это изменило всё: в лабораториях всего мира сразу начали разрабатывать ПЦР-тесты и вакцины, не имея на руках ни одной вирусной частицы. Через одиннадцать месяцев первые вакцины уже вводили людям. Никогда прежде человечество не реагировало на новую болезнь так быстро — и никогда прежде новая болезнь не распространялась по всей планете так стремительно.

Это десятая, заключительная статья серии о реализации наследственной информации (начало — «Матричный синтез и реализация наследственной информации»). В ней разобраны строение и размножение коронавируса SARS-CoV-2, болезнь COVID-19, вакцины и лечение, а также медицинские и социальные проблемы пандемии.

1. Коронавирусы

Коронавирусы — семейство сложных РНК-содержащих вирусов, получивших название за «корону» из белковых шипов на поверхности, видимую в электронном микроскопе. Они заражают птиц и млекопитающих, особенно разнообразны у летучих мышей. Человека давно заражают четыре «сезонных» коронавируса, вызывающих обычную простуду. Но в XXI веке трижды появлялись опасные коронавирусы, пришедшие от животных.

Первые коронавирусы человека нашли в 1960-х годах в британском Отделе исследований простуды в Солсбери. Добровольцы приезжали туда на десять дней, жили в изолированных домиках, и им закапывали в нос смывы из носоглотки больных простудой. Так Дэвид Тиррелл и Малкольм Байно в 1965 году обнаружили вирус, который вызывал насморк, но не размножался в обычных культурах клеток, — его удалось вырастить лишь на кусочках трахеи эмбриона человека. Сезонными коронавирусами человек заражается уже в детстве, и переносит эти простуды легко. Поэтому до 2002 года коронавирусы считали возбудителями лёгких болезней, и ими занимались немногие лаборатории.

ВирусКогдаПриродный хозяин и промежуточныйОсобенности
SARS-CoV (атипичная пневмония)2002–2003летучие мыши; гималайские циветтыоколо 8 тысяч заболевших, смертность около 10 %; вспышку удалось остановить
MERS-CoV (ближневосточный респираторный синдром)с 2012 годалетучие мыши; одногорбые верблюдысмертность около трети заболевших, плохо передаётся от человека к человеку
SARS-CoV-2 (COVID-19)с 2019 годародственные вирусы у летучих мышей; промежуточный хозяин точно не установленлегко передаётся, в том числе людьми без симптомов; пандемия

Уже в начале 2020 года выяснилось, что новый вирус на 96 % совпадает по последовательности генома с коронавирусом подковоносых летучих мышей из Юго-Западного Китая, и использует для проникновения в клетки тот же рецептор, что и вирус SARS 2002 года [2]. Поэтому его назвали SARS-CoV-2 — «коронавирус тяжёлого острого респираторного синдрома 2», а болезнь — COVID-19 (от английских слов «коронавирусная болезнь 2019 года»).

Определения. SARS-CoV-2 — коронавирус, вызывающий COVID-19. Шиповидный белок (S-белок) — гликопротеин суперкапсида, связывающийся с рецептором клетки. АПФ2 — белок на поверхности клеток человека, рецептор вируса. «Плюс»-РНК — РНК, которая сразу служит иРНК. Пандемия — эпидемия, охватившая многие страны и континенты. Постковидный синдром — симптомы, сохраняющиеся месяцами после перенесённой инфекции.

Частицы коронавируса SARS-CoV-2 в электронном микроскопе (окраска условная)
Рис. 1. Частицы коронавируса SARS-CoV-2 в электронном микроскопе (окраска условная) Фото: NIAID-RML, CC BY 2.0.

2. Откуда пришёл вирус

Вопрос о происхождении SARS-CoV-2 до сих пор обсуждается. Большинство вирусологов считают наиболее вероятным переход вируса от животных к человеку, как это было с SARS и MERS: родственные вирусы распространены у летучих мышей, а первые известные случаи болезни сосредоточены вокруг рынка в Ухане, где продавались живые дикие млекопитающие, восприимчивые к коронавирусам. Обсуждается и версия случайной утечки вируса из лаборатории в Ухане, где изучали коронавирусы летучих мышей. Прямых доказательств ни одной из версий — например, заражённого животного-предшественника или вируса-предка в лаборатории — пока не найдено, и окончательного ответа нет.

Этот вопрос важен не только для истории: от ответа зависят меры, которые нужно принимать, чтобы предотвратить следующую пандемию, — контроль торговли дикими животными, надзор за вирусами животных, правила безопасности лабораторий. Очевидно одно: коронавирусы летучих мышей представляют постоянную угрозу, и надзор за ними необходим.

2002–2003SARS: вирус летучих мышей через циветт; вспышку остановили
2012MERS: вирус летучих мышей через верблюдов
Декабрь 2019пневмония неизвестного происхождения в Ухане
Январь 2020геном вируса выложен в открытый доступ
11 марта 2020ВОЗ объявляет пандемию
Декабрь 2020начало массовой вакцинации
Ноябрь 2021вариант «Омикрон»
Май 2023конец чрезвычайной ситуации международного значения
Рис. 2. Коронавирусы XXI века и ход пандемии COVID-19.

3. Строение SARS-CoV-2

SARS-CoV-2 — сложный вирус диаметром около 100 нм.

  • Геном — одна молекула одноцепочечной «плюс»-РНК длиной около 30 тысяч нуклеотидов. Это один из самых длинных геномов среди РНК-вирусов. На 5′-конце у неё есть кэп, а на 3′-конце — поли(А)-хвост, как у иРНК клетки, поэтому рибосомы клетки сразу начинают её транслировать.
  • Нуклеокапсид — РНК, связанная с многочисленными молекулами белка нуклеокапсида.
  • Суперкапсид — липидная оболочка, полученная из мембран клетки, с тремя вирусными белками: шиповидным (S), мембранным (M) и белком оболочки (E).
  • Шиповидный белок (S-белок) — главный инструмент проникновения. Его «головка» связывается с рецептором клетки, а «ножка» обеспечивает слияние оболочки вируса с мембраной клетки. Пространственную структуру S-белка определили уже в феврале 2020 года [3], и на её основе проектировали вакцины.

Длинный РНК-геном — редкость: РНК-полимеразы ошибаются гораздо чаще, чем ДНК-полимеразы, и в слишком длинном геноме при каждом копировании накапливались бы губительные мутации. У коронавирусов есть особый фермент, исправляющий ошибки при копировании РНК, — редкое для РНК-вирусов свойство. Поэтому SARS-CoV-2 мутирует медленнее, чем вирус гриппа или ВИЧ, хотя и достаточно быстро, чтобы постоянно порождать новые варианты.

Белки коронавируса

Из 30 тысяч нуклеотидов генома только часть кодирует структурные белки — те, что входят в состав вирусной частицы. Большинство генов кодирует ферменты и вспомогательные белки, работающие внутри клетки.

БелокГде находитсяЧто делает
S — шиповидныйв суперкапсидесвязывается с рецептором АПФ2, сливает оболочку вируса с мембраной клетки; главная цель антител и вакцин
M — мембранныйв суперкапсидесамый многочисленный белок оболочки; задаёт форму вириона при сборке
E — белок оболочкив суперкапсидеучаствует в сборке и выходе вирионов, образует каналы в мембране
N — нуклеокапсидныйвнутри вирионаупаковывает РНК; его обнаруживают экспресс-тесты на антиген
РНК-зависимая РНК-полимеразатолько в клеткекопирует РНК вируса; цель противовирусных препаратов
Главная протеазатолько в клеткеразрезает белки-предшественники на отдельные ферменты; тоже цель лекарств
Экзонуклеазатолько в клеткеисправляет ошибки копирования РНК
  • Геномодна одноцепочечная «плюс»-РНК, около 30 тысяч нуклеотидов; кэп и поли(А)-хвост
  • НуклеокапсидРНК в комплексе с белком N
  • Суперкапсидлипидная оболочка из мембран клетки с белками M и E
  • S-белок (шип)связывается с рецептором АПФ2 и сливает мембраны
Рис. 3. Строение SARS-CoV-2.

4. Как вирус размножается в клетке

  1. Прикрепление. S-белок связывается с рецептором АПФ2 (ангиотензинпревращающим ферментом 2) — белком на поверхности клеток эпителия дыхательных путей, кишечника, сосудов, почек.
  2. Проникновение. Чтобы S-белок мог слить мембраны, его должен «надрезать» фермент клетки-хозяина — протеаза на поверхности клетки. После этого оболочка вируса сливается с мембраной клетки (или с мембраной пузырька после эндоцитоза), и РНК попадает в цитоплазму [4].
  3. Трансляция. Рибосомы клетки транслируют геномную «плюс»-РНК. Сначала синтезируются два гигантских белка-предшественника, которые вирусные протеазы разрезают на полтора десятка белков, в том числе РНК-зависимую РНК-полимеразу.
  4. Репликация РНК. РНК-полимераза вируса синтезирует на «плюс»-РНК комплементарную «минус»-цепь, а на ней — новые «плюс»-цепи (геномы) и более короткие иРНК для синтеза структурных белков. Всё это происходит в особых пузырьках из мембран ЭПС, которые вирус строит в клетке.
  5. Сборка и выход. Структурные белки встраиваются в мембраны ЭПС и комплекса Гольджи, там же собираются новые вирионы, которые выходят из клетки в пузырьках путём экзоцитоза.

Заметьте: в отличие от ВИЧ, коронавирус не переписывает свою РНК в ДНК и не встраивается в хромосомы. Весь его цикл проходит в цитоплазме, и инфекция не становится пожизненной (подробнее — в статье «ВИЧ и СПИД»). Задачи на «плюс»-РНК коронавируса встречаются в линии 27 ЕГЭ (подробнее — в статье «Задачи на биосинтез белка»).

ПрикреплениеS-белок связывается с рецептором АПФ2
Проникновениепротеаза клетки активирует S-белок; слияние мембран
Трансляция «плюс»-РНКбелки-предшественники разрезаются на ферменты
Репликация РНК«плюс» → «минус» → новые «плюс»-цепи и укороченные иРНК
Синтез структурных белковS, M, E — в мембранах ЭПС; N — в цитоплазме
Сборка и выходв мембранах ЭПС и комплекса Гольджи; экзоцитоз
Рис. 4. Размножение коронавируса в клетке. ДНК не образуется; весь цикл проходит в цитоплазме.

5. Как вирус захватывает рибосомы и обманывает иммунитет

Попав в клетку, коронавирус сразу начинает борьбу за её рибосомы. Один из первых синтезируемых вирусных белков садится на малую субъединицу рибосомы и закрывает канал, через который проходит иРНК. В результате синтез белков клетки почти останавливается. Но вирусные иРНК имеют на 5′-конце особую «лидерную» последовательность, которая позволяет им всё-таки транслироваться. В результате рибосомы работают в основном на вирус.

Этот же приём помогает вирусу скрыться от иммунной системы. Заражённая клетка в норме синтезирует интерфероны — белки, которые предупреждают соседние клетки о вирусе и включают в них противовирусную защиту. Если синтез белков клетки подавлен, интерферонов вырабатывается мало и поздно. Кроме того, коронавирус метит свою РНК кэпом, похожим на кэп иРНК человека, и прячет двуцепочечные РНК-промежуточные формы в мембранных пузырьках: клетка не распознаёт в них чужака.

Запоздалый интерфероновый ответ — одна из причин тяжёлого течения. Пока клетки «молчат», вирус успевает размножиться, а затем иммунная система включается слишком сильно и повреждает собственные ткани. У части больных с крайне тяжёлым COVID-19 нашли наследственные нарушения генов интерфероновой системы или антитела против собственных интерферонов.

Связь с матричным синтезом. Вирус не имеет своих рибосом и полностью зависит от аппарата трансляции клетки. Поэтому многие вирусы, в том числе коронавирусы, научились «переключать» рибосомы на свои иРНК, подавляя трансляцию иРНК клетки.

6. Геном коронавируса: как вирус читает свою РНК

Геном SARS-CoV-2 содержит около полутора десятков генов. Две трети его длины занимает одна гигантская рамка считывания, кодирующая неструктурные белки — ферменты копирования РНК. Оставшаяся треть кодирует структурные белки (S, E, M, N) и несколько вспомогательных.

Здесь возникает сложность: рибосома клетки начинает трансляцию с начала иРНК и проходит её до стоп-кодона. Как же синтезировать белки, гены которых лежат в конце длинной РНК? Коронавирус решает эту задачу двумя способами.

  • Сдвиг рамки считывания. В середине первой большой рамки РНК образует плотную пространственную структуру, на которой рибосома иногда «спотыкается» и сдвигается на один нуклеотид назад. Дальше она читает кодоны в другой рамке и продолжает синтез, минуя стоп-кодон. Так из одной иРНК получаются два белка-предшественника: короткий (если сдвига не было) и длинный (если был). Нарушение соотношения между ними губит размножение вируса.
  • Укороченные (субгеномные) иРНК. При синтезе «минус»-цепи вирусная полимераза «перепрыгивает» с одних участков матрицы на начало генома. Получаются укороченные РНК, у каждой из которых нужный ген стоит первым. Рибосома транслирует только первый ген — значит, каждая укороченная иРНК даёт один белок.

Все эти иРНК имеют на 5′-конце одинаковую короткую «лидерную» последовательность. По ней, кстати, ПЦР-тесты могут отличать активное размножение вируса от остатков РНК в организме.

Главное. SARS-CoV-2 нарушает «правило»: одна иРНК — один белок у эукариот. Вирус использует сдвиг рамки считывания и набор укороченных иРНК, чтобы с одного генома получить десятки белков. Но генетический код у него тот же, что у клетки-хозяина, — иначе рибосомы человека не смогли бы читать вирусную РНК.

7. Изменчивость вируса и его варианты

Каждое копирование РНК идёт с ошибками. Хотя у коронавирусов есть фермент, исправляющий часть ошибок, в каждом заражённом человеке образуются миллиарды вирусных частиц, и среди них всегда есть мутанты. Большинство мутаций нейтральны или вредны для вируса. Но если мутация помогает вирусу заражать клетки или ускользать от антител, её носители размножаются быстрее и вытесняют остальных. Это естественный отбор, идущий на глазах у людей.

Варианты, которые заметно отличались по свойствам, ВОЗ назвала буквами греческого алфавита — чтобы не связывать вирус с названием страны.

ВариантКогда и где обнаруженЧем отличался
Ранний вариант с заменой D614G в S-белкевесна 2020 года, ЕвропаS-белок устойчивее; передача быстрее; к лету вытеснил исходный вирус
Альфаконец 2020 года, Великобританияпередаётся заметно лучше исходного вируса
Дельтаначало 2021 года, Индияещё более заразный, чаще вызывал тяжёлое течение
Омикрон и его потомкиноябрь 2021 года, юг Африкиболее 30 замен в S-белке; хорошо ускользает от антител, но реже поражает лёгкие

Омикрон впервые описали учёные Ботсваны и ЮАР — стран с хорошо налаженным чтением вирусных геномов [5]. За считаные недели он вытеснил «Дельту» по всему миру. Его потомки продолжают сменять друг друга и сегодня, поэтому состав вакцин время от времени обновляют, как это делают с вакцинами от гриппа.

Откуда взялся вариант с таким числом мутаций? Одно из объяснений — долгая инфекция у человека с ослабленным иммунитетом: вирус месяцами размножается в одном организме, и отбор накапливает в нём много изменений сразу. Важно, что «вирус со временем обязательно ослабевает» — не закон природы: отбор благоприятствует вариантам, которые лучше передаются, а тяжесть болезни может как снижаться, так и расти.

8. Как передаётся вирус

SARS-CoV-2 передаётся в основном воздушно-капельным путём — с каплями и мельчайшими частицами (аэрозолями), которые выделяются при дыхании, разговоре, кашле, чихании и пении. Крупные капли падают в пределах одного-двух метров, а аэрозоль может долго висеть в воздухе плохо проветриваемого помещения. Поэтому особенно много заражений происходило в закрытых, людных местах: в ресторанах, на хоровых репетициях, в общежитиях, на кораблях. Передача через поверхности тоже возможна, но, как выяснилось, играет гораздо меньшую роль, чем считалось в начале пандемии.

Главная «хитрость» SARS-CoV-2 — передача до появления симптомов. Вирус активно размножается в верхних дыхательных путях уже за один-два дня до того, как человек почувствует себя больным, а часть заражённых вообще не замечает болезни. Вирус SARS 2002 года передавался в основном тогда, когда больной уже лежал с высокой температурой, — поэтому его и удалось остановить, изолируя заболевших. С SARS-CoV-2 такой подход не сработал.

Для понимания. Скорость распространения инфекции описывает число, которое эпидемиологи называют базовым репродуктивным числом: сколько человек в среднем заражает один больной в полностью восприимчивом населении. Для исходного варианта SARS-CoV-2 оно составляло около 2–3. Если это число больше 1, эпидемия растёт; если меры защиты и иммунитет снижают его ниже 1 — эпидемия затухает.

9. Математика эпидемии

Почему в начале 2020 года число заболевших росло так пугающе быстро? Если каждый больной заражает в среднем трёх человек, а между заражением одного человека и заражением следующих проходит около пяти дней, то за месяц сменяется шесть «поколений» инфекции. Из одного больного получается 36 = 729 новых случаев, а ещё через месяц — уже более полумиллиона. Это экспоненциальный рост: в начале эпидемии число случаев в Европе удваивалось каждые 3–4 дня. Человеческой интуиции такой рост даётся плохо: пока больных мало, кажется, что опасности нет, а через несколько недель больницы уже переполнены.

Эпидемия затухает, когда один больной в среднем заражает меньше одного человека. Этого можно добиться, уменьшая число контактов (изоляция больных, удалённая работа, маски, проветривание) или увеличивая долю невосприимчивых людей. Если базовое репродуктивное число равно R0, то для прекращения роста эпидемии без других мер невосприимчивой должна быть доля населения 1 − 1/R0. При R0 = 3 это 1 − 1/3 ≈ 67 %. Эту величину называют порогом коллективного иммунитета.

С SARS-CoV-2 коллективный иммунитет в полном смысле так и не наступил. Новые варианты были заразнее (порог рос), а защита от заражения после болезни и прививки со временем ослабевала. Зато иммунитет, приобретённый большинством людей, сделал болезнь гораздо менее опасной — и это главное, чего удалось добиться.

Пример расчёта. Пусть R0 = 3. Если меры защиты вдвое уменьшили число контактов, то каждый больной заражает в среднем 1,5 человека — эпидемия всё ещё растёт. Если при этом 40 % людей невосприимчивы, то 1,5 × 0,6 = 0,9 < 1 — эпидемия начнёт затухать.

Ошибки копирования РНКмиллиарды вирусных частиц в каждом заражённом
Мутации в S-белке и других генахбольшинство нейтральны или вредны для вируса
Естественный отборлучше передающиеся и ускользающие от антител варианты
Новый вариантвытесняет прежние; вакцины обновляют
Рис. 5. Как возникают новые варианты вируса.

10. Болезнь COVID-19

От заражения до первых симптомов проходит в среднем около пяти дней (для «Омикрона» — около трёх). Течение очень разное — от бессимптомного до смертельного.

  • Лёгкое течение — у большинства заболевших: повышение температуры, кашель, слабость, боль в горле, мышечные боли. Характерной для ранних вариантов была внезапная потеря обоняния: вирус заражает опорные клетки обонятельного эпителия, и работа обонятельных нейронов временно нарушается.
  • Среднетяжёлое и тяжёлое течение — вирусная пневмония: поражение альвеол, одышка, падение насыщения крови кислородом. Больные нуждаются в кислороде, часть — в искусственной вентиляции лёгких.
  • Критическое течение — острый респираторный дистресс-синдром, при котором лёгкие перестают обеспечивать газообмен, сепсис, отказ нескольких органов.

Почему болезнь так опасна? Рецептор АПФ2 есть не только в лёгких, но и в клетках стенок сосудов, сердца, почек, кишечника. Тяжёлое течение во многом связано не с самим вирусом, а с избыточным ответом иммунной системы: выброс огромного количества сигнальных молекул воспаления (цитокиновый шторм) повреждает ткани, усиливает свёртывание крови, приводит к тромбозам. Поэтому на поздних стадиях больным помогают не столько противовирусные средства, сколько лекарства, подавляющие воспаление.

Фактор риска тяжёлого теченияПочему он важен
Пожилой возрастиммунный ответ запаздывает и легче выходит из-под контроля; риск смерти растёт с возрастом в десятки раз
Ожирение, сахарный диабетхроническое воспаление, нарушение работы сосудов и иммунитета
Болезни сердца, сосудов, лёгких, почекорганы хуже выдерживают дополнительную нагрузку
Ослабленный иммунитетвирус дольше размножается; меньше эффект вакцин

Дети в большинстве случаев болеют легко. Но у небольшой части детей через несколько недель после инфекции развивается редкое тяжёлое воспалительное состояние, поражающее многие органы, — мультисистемный воспалительный синдром.

Инкубационный периодоколо 5 дней; вирус уже передаётся
Лёгкое течениеу большинства: температура, кашель, слабость
Пневмонияодышка, нужен кислород
Критическое течениецитокиновый шторм, тромбозы, отказ органов
Рис. 6. Течение COVID-19. У части переболевших — постковидный синдром.

11. Иммунный ответ на SARS-CoV-2

Иммунная система борется с вирусом двумя способами (подробнее — в статье об иммунной системе человека).

  • Антитела, особенно нейтрализующие, связываются с S-белком и не дают вирусу прикрепиться к рецептору АПФ2. Их уровень после болезни или прививки постепенно снижается за несколько месяцев, к тому же новые варианты с изменённым S-белком ускользают от части антител. Поэтому повторные заражения COVID-19 обычны.
  • Т-лимфоциты-убийцы находят и уничтожают заражённые клетки. Они узнают много разных участков вирусных белков, которые меняются у новых вариантов гораздо меньше. Т-клетки памяти сохраняются долго и защищают в основном от тяжёлого течения, а не от заражения как такового.

Отсюда главный вывод, важный для понимания вакцин: прививка от COVID-19 плохо защищает от заражения спустя месяцы, но надолго и надёжно снижает риск тяжёлой болезни и смерти.

12. Профилактика

Меры профилактики COVID-19 направлены на три звена эпидемического процесса: источник инфекции (больного человека), путь передачи и восприимчивых людей.

ЗвеноМерыКак действуют
Источник инфекциираннее тестирование, изоляция больных, выявление контактовбольной перестаёт заражать окружающих
Путь передачипроветривание и очистка воздуха, маски и респираторы, дистанция, мытьё рукв организм попадает меньше вирусных частиц или они не попадают вовсе
Восприимчивые людивакцинация, в первую очередь пожилых, людей с хроническими болезнями и медиковиммунная система заранее готова к встрече с вирусом

Ни одна мера сама по себе не даёт полной защиты, но вместе они дополняют друг друга. Эпидемиологи сравнивают их с ломтиками сыра с дырками: каждый ломтик пропускает часть вируса, но если сложить несколько ломтиков, дырки редко совпадают. Особенно важна защита людей из групп риска: в домах престарелых в первые месяцы пандемии погибла огромная доля всех умерших от COVID-19 во многих странах.

13. Как выявляют вирус

Во время пандемии слова «ПЦР-тест» узнали почти все. Этот метод — прямое применение знаний о матричном синтезе.

  1. Обратная транскрипция. Геном вируса — РНК, а ДНК-полимераза, которая работает в ПЦР, копирует только ДНК. Поэтому сначала фермент обратная транскриптаза (тот самый, что есть у ретровирусов) синтезирует на вирусной РНК комплементарную ДНК.
  2. Полимеразная цепная реакция. Короткие затравки (праймеры), комплементарные участкам вирусного гена, позволяют термостабильной ДНК-полимеразе многократно копировать только нужный фрагмент. За каждый цикл нагревания и охлаждения число копий удваивается: за 40 циклов — более чем в триллион раз.
  3. Учёт результата. Специальный флуоресцентный зонд светится, когда копируется нужный участок. Чем раньше нарастает свечение, тем больше вирусной РНК было в пробе.

Обычно тест «смотрит» сразу на два-три участка генома: если один из них изменится в результате мутации, тест всё равно сработает. Метод очень чувствителен, но требует лаборатории и нескольких часов.

ТестЧто обнаруживаетКогда полезен
ПЦР с обратной транскрипциейРНК вирусасамая точная диагностика текущей инфекции
Экспресс-тест на антигенбелок нуклеокапсида вирусабыстро, без лаборатории, но менее чувствителен
Анализ на антителаантитела в кровипоказывает перенесённую инфекцию или ответ на прививку, а не текущую болезнь

Важно понимать, что число выявленных случаев всегда меньше истинного числа заражённых: часть людей болеет без симптомов и не обращается к врачу, часть не делает тест. Поэтому доля умерших среди выявленных больных (её называют летальностью выявленных случаев) всегда выше доли умерших среди всех заражённых. В начале пандемии, когда тестов не хватало, эта разница была особенно велика: выявляли главным образом тяжёлых больных, и первые оценки смертности оказались завышенными. Истинную долю умерших среди заражённых оценивают по доле людей с антителами в случайных выборках населения.

Одновременно с тестами во многих странах наладили массовое чтение (секвенирование) геномов вируса. Это позволяло видеть появление новых вариантов в реальном времени. За годы пандемии было прочитано более 15 миллионов геномов SARS-CoV-2 — больше, чем для любого другого вируса или организма за всю историю биологии.

14. Как лечат COVID-19

Антибиотики на вирусы не действуют: у вирусов нет ни клеточной стенки, ни своих рибосом, на которые направлены антибиотики. Их назначают только при присоединении бактериальной инфекции. Основу лечения составляют три подхода.

  • Противовирусные препараты работают в первые дни болезни, пока вирус активно размножается. Одни — аналоги нуклеотидов: вирусная РНК-полимераза встраивает их в растущую РНК, и копирование нарушается. Другие подавляют главную протеазу вируса, без которой белки-предшественники не разрезаются на отдельные ферменты.
  • Противовоспалительные средства применяют при тяжёлом течении, когда опасен уже не вирус, а цитокиновый шторм. Крупное испытание RECOVERY в Великобритании показало, что дешёвый гормональный препарат дексаметазон снижает смертность у больных на искусственной вентиляции лёгких примерно на треть [6]. Этот недорогой и доступный во всём мире препарат стал основой лечения тяжёлых больных.
  • Поддерживающее лечение: кислород, положение больного на животе (оно улучшает вентиляцию задних отделов лёгких), профилактика тромбозов, искусственная вентиляция лёгких.

Урок пандемии. В первые месяцы многие лекарства применяли «на всякий случай», без доказательств. Крупные рандомизированные испытания, где больных случайным образом делили на группы, показали, что одни средства действительно помогают (дексаметазон), а другие — например, противомалярийный гидроксихлорохин — не помогают. Только такой подход отделяет действующие лекарства от бесполезных.

  • Первые дни: противовирусныеаналоги нуклеотидов против РНК-полимеразы; ингибиторы главной протеазы
  • Тяжёлое течение: противовоспалительныедексаметазон подавляет избыточный иммунный ответ
  • Поддержкакислород, положение на животе, профилактика тромбозов, ИВЛ
  • Не помогаютантибиотики — только при бактериальных осложнениях
Рис. 7. Лечение COVID-19 по стадиям болезни.

15. Вакцины: как их создали за год

Обычно создание вакцины занимало десять и более лет. Вакцины от COVID-19 появились меньше чем через год после того, как был прочитан геном вируса. Это стало возможно не потому, что «пропустили проверки», а потому, что к 2020 году учёные десятилетиями развивали необходимые технологии, испытания разных фаз шли параллельно, а производство начали заранее, рискуя деньгами, а не безопасностью.

Все вакцины от COVID-19 учат иммунную систему узнавать S-белок вируса. Различаются они тем, как этот белок «показывают» иммунной системе.

Тип вакциныЧто вводятПримеры
мРНК-вакциныиРНК с геном S-белка в липидных частицах; клетки сами синтезируют S-белоквакцины Pfizer–BioNTech и Moderna
Векторные вакциныбезвредный для человека аденовирус, неспособный размножаться, с геном S-белка«Спутник V» (Центр имени Н. Ф. Гамалеи), вакцина Оксфордского университета и AstraZeneca
Инактивированныецелые вирусы, убитые химической обработкой«КовиВак» (Центр имени М. П. Чумакова), китайские вакцины
Белковые (субъединичные)готовый S-белок или его участки с веществом, усиливающим иммунный ответ«ЭпиВакКорона» (центр «Вектор»), вакцина Novavax

Как работает мРНК-вакцина

  1. В мышцу плеча вводят иРНК с геном S-белка, заключённую в крошечные липидные капельки. Липидная оболочка защищает иРНК от разрушения и помогает ей проникнуть в клетки.
  2. В цитоплазме клетки рибосомы транслируют иРНК и синтезируют S-белок — по тем же правилам генетического кода, что и любой белок клетки.
  3. S-белок появляется на поверхности клетки и в виде фрагментов попадает к клеткам иммунной системы. Вырабатываются антитела и клетки памяти.
  4. Через несколько дней иРНК разрушается ферментами клетки. Вирусных частиц не образуется: вводят только один ген, а для размножения вируса нужен весь геном.

Ключевым шагом стало открытие Каталин Карико и Дрю Вайсмана. Чужеродная иРНК, введённая в организм, вызывает сильное воспаление и быстро разрушается. В 2005 году они показали, что если заменить в иРНК обычный уридин на изменённый нуклеозид, похожий на те, что встречаются в тРНК клетки, то иммунная система перестаёт воспринимать её как чужую [7]. Статья почти десять лет оставалась малоизвестной, а в 2023 году Карико и Вайсман получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Путь к этой премии был трудным. В 1990-х годах Карико годами не могла получить грантов на работу с иРНК: идея использовать иРНК как лекарство казалась бесперспективной — молекула слишком нестабильна и вызывает воспаление. В 1995 году её понизили в должности в Пенсильванском университете. Встреча с иммунологом Вайсманом у ксерокса, по её собственным воспоминаниям, изменила всё. Вторым необходимым шагом стали липидные наночастицы, разработанные для доставки молекул нуклеиновых кислот в клетки. Когда в январе 2020 года был опубликован геном вируса, основатели компании BioNTech Угур Шахин и Озлем Тюречи, по их рассказам, спроектировали варианты вакцины за несколько дней.

В испытании вакцины Pfizer–BioNTech на 43 тысячах добровольцев она на 95 % снижала риск заболеть COVID-19 с симптомами [8]. Эффективность «Спутника V» в испытании почти на 22 тысячах человек составила около 92 % [9]. Позднее, с появлением «Омикрона», защита от заражения заметно снизилась, а защита от тяжёлого течения сохранилась.

ВведениеиРНК с геном S-белка в липидных частицах
Трансляция в цитоплазмерибосомы клетки синтезируют S-белок
Иммунный ответантитела, Т-лимфоциты и клетки памяти
Разрушение иРНКчерез несколько дней; в ядро не попадает
Рис. 8. Как работает мРНК-вакцина.

Важно. мРНК-вакцина не может изменить ДНК человека. иРНК работает в цитоплазме и в ядро не попадает; у клеток человека нет фермента, который переписывал бы такую иРНК в ДНК и встраивал её в хромосомы, — это умеют только ретровирусы, а их в вакцине нет. Вектор «Спутника V» — аденовирус с ДНК-геномом, который проникает в ядро, но не встраивается в хромосомы и не размножается.

16. Как измеряют эффективность вакцины

Что значит «эффективность 95 %»? Это не означает, что заболеют 5 % привитых. В испытании вакцины Pfizer–BioNTech более 43 тысяч добровольцев случайным образом разделили на две равные группы: одним ввели вакцину, другим — солевой раствор (плацебо). Ни участники, ни врачи не знали, кто что получил. Затем в каждой группе посчитали, сколько людей заболели COVID-19 с симптомами. Эффективность считали по тем, кто получил обе дозы и не болел раньше, — примерно по 18 тысяч человек в каждой группе: в группе плацебо заболели 162 человека, в группе вакцины — 8 [8].

Эффективность вычисляют как долю, на которую снизился риск заболеть: 1 − 8/162 ≈ 0,95, то есть 95 %. Иными словами, из каждых двадцати заболевших без вакцины заболел бы только один привитый. При этом даже в группе плацебо заболело меньше 1 % участников: большинство людей за время испытания просто не встретились с вирусом.

Двойное слепое рандомизированное испытание — главный способ отличить действие вакцины или лекарства от случайности, самовнушения и ошибок наблюдателя. Если бы привитые знали о прививке, они могли бы вести себя смелее и чаще заражаться, а врачи — по-разному оценивать симптомы в двух группах.

Почему у «Спутника V» два разных вектора

Векторную вакцину нельзя просто ввести два раза одинаково: после первой дозы иммунная система вырабатывает антитела не только к S-белку, но и к белкам самого аденовируса-вектора. При второй дозе такие антитела могут уничтожить вектор раньше, чем он доставит ген в клетки. Поэтому разработчики Центра имени Н. Ф. Гамалеи использовали для двух доз два разных аденовируса человека — 26-го и 5-го типов [9]. Этот приём, называемый гетерологичной схемой «прайм — буст», затем применяли и при сочетании вакцин разных типов.

Векторные вакцины против COVID-19 создавались не с нуля: Центр Гамалеи ранее разработал по той же технологии вакцину против лихорадки Эбола, а Оксфордский университет — против MERS. Векторы аденовирусов шимпанзе и человека десятилетиями изучали и как средство генной терапии.

17. Что дала вакцинация

За первый год массовой вакцинации, с декабря 2020 по декабрь 2021 года, прививки, по расчётам на основе данных из 185 стран, предотвратили около 14,4 миллиона смертей от COVID-19 [10]. Больше всего жизней спасено среди пожилых людей, которых прививали первыми.

Как и любые лекарства, вакцины имеют побочные эффекты. Обычно это боль в месте укола, слабость и повышение температуры на один-два дня — признаки работы иммунной системы. Редкие серьёзные осложнения тоже были выявлены, причём именно благодаря наблюдению за сотнями миллионов привитых: воспаление сердечной мышцы (миокардит) после мРНК-вакцин, чаще у юношей, и особые тромбозы после некоторых аденовирусных вакцин. Их частота — единицы на сотни тысяч прививок, а риск тех же осложнений от самой болезни заметно выше. Поэтому для большинства людей польза вакцинации намного превышала риск.

18. Постковидный синдром

У части переболевших симптомы не проходят неделями и месяцами: усталость, резко усиливающаяся после нагрузки, одышка, учащённое сердцебиение, нарушения сна, проблемы с памятью и вниманием («туман в голове»), потеря обоняния. Это состояние называют постковидным синдромом, или длительным COVID. По оценкам, им страдают не менее 10 % заболевших, а всего в мире — десятки миллионов человек [11]. Чаще его наблюдают после тяжёлой болезни, но бывает он и после лёгкой; у привитых он встречается реже.

Причины постковидного синдрома изучены не до конца. Обсуждаются сохранение остатков вируса в тканях, длительное воспаление и аутоиммунные реакции, повреждение мелких сосудов и микротромбы, пробуждение «спящих» вирусов (например, вируса Эпштейна — Барр). Скорее всего, у разных больных работают разные механизмы. У большинства состояние постепенно улучшается, но у некоторых затягивается на годы.

19. Медицинские и социальные проблемы пандемии

11 марта 2020 года ВОЗ объявила распространение COVID-19 пандемией. Чрезвычайная ситуация международного значения продлилась до мая 2023 года. За это время официально было зарегистрировано около 7 миллионов смертей. Но истинное число погибших больше: многие умерли без теста, а другие — от болезней, лечение которых откладывалось из-за переполненных больниц. Оценить потери точнее позволяет избыточная смертность — разница между фактическим числом смертей и тем, которое ожидалось бы без пандемии. По оценке ВОЗ, только за 2020–2021 годы она составила около 14,8 миллиона человек — почти втрое больше официальных данных о смертях от COVID-19 за эти годы [12].

ПроблемаВ чём она проявилась
Нагрузка на здравоохранениенехватка коек, кислорода и аппаратов ИВЛ; отложенные операции и обследования; заражение и гибель медиков
Отложенная медицинская помощьпозднее выявление рака, болезней сердца, сбои в плановой вакцинации детей
Ограничительные мерызакрытие школ и вузов, дистанционное обучение, потеря учебного времени; изоляция пожилых людей
Экономикаспад производства, потеря работы и доходов, особенно у бедных слоёв населения
Психическое здоровьерост тревожности и депрессии, особенно у подростков и молодёжи, переживание утрат
Неравенствов бедных странах вакцины появились гораздо позже, чем в богатых
«Инфодемия»волна слухов и ложной информации о вирусе, лекарствах и вакцинах; недоверие к медицине

Ограничительные меры — закрытие границ, удалённая работа и обучение, масочный режим, ограничение массовых мероприятий — снижали число контактов и выигрывали время для больниц и учёных, но имели свою цену для экономики, образования и психического здоровья. Споры о том, какие меры были оправданы и в какой степени, продолжаются и сейчас. Общий вывод исследователей: лучше всего справлялись страны, которые действовали быстро, массово тестировали население, отслеживали контакты и честно объясняли гражданам происходящее.

Последствия пандемии COVID-19уроки: надзор за вирусами, открытые данные, вакцины-платформы, доверие
Медицинские
  • Избыточная смертностьоколо 14,8 млн за 2020–2021 годы
  • Перегрузка больницотложенная помощь при других болезнях
  • Постковидный синдромдесятки миллионов человек
Социальные
  • Образованиезакрытые школы, потеря учебного времени
  • Экономика и неравенствопотеря работы; поздние вакцины в бедных странах
  • Психическое здоровье и «инфодемия»тревожность, депрессия, ложная информация
Рис. 9. Медицинские и социальные последствия пандемии.

20. Уроки пандемии

  • Надзор за вирусами. Новые болезни приходят от животных. Наблюдение за вирусами диких животных, животноводческих хозяйств и людей, которые с ними контактируют, позволяет заметить угрозу раньше.
  • Быстрое секвенирование и открытые данные. Публикация генома в январе 2020 года позволила начать работу над тестами и вакцинами за считаные дни.
  • Платформенные технологии. мРНК- и векторные вакцины можно быстро «перенастроить» на новый вирус, заменив один ген.
  • Вентиляция помещений. Пандемия заставила по-новому взглянуть на чистоту воздуха в школах, больницах и офисах.
  • Доверие. Даже лучшие вакцины не помогут, если люди им не доверяют. Понятное объяснение науки — часть медицины.

21. Коронавирус и животные

SARS-CoV-2 пришёл к людям от животных, но люди и сами заражали животных — это называют обратной передачей. Вирусом болели домашние кошки и хорьки, тигры и львы в зоопарках, гориллы, норки на зверофермах, хомяки в зоомагазинах. Белохвостые олени в США заражались от людей, а затем передавали вирус друг другу; у оленей нашли варианты вируса, давно исчезнувшие среди людей.

Опасность в том, что животные могут стать «резервуаром», где вирус меняется независимо от людей, а затем возвращается к человеку. Так случилось на датских норковых фермах: вирус, изменившийся в норках, снова заразил людей, и правительство приняло решение уничтожить всё поголовье. Поэтому сегодня всё чаще говорят о подходе «Единое здоровье»: здоровье людей, животных и окружающей среды нужно изучать и охранять вместе.

22. COVID-19 среди пандемий истории

Пандемии случались и раньше. Чума в XIV веке унесла, по оценкам историков, от трети до половины населения Европы. Пандемия гриппа 1918–1920 годов («испанка») убила, по разным оценкам, от 17 до 50 миллионов человек — больше, чем Первая мировая война. Пандемии гриппа 1957, 1968 и 2009 годов унесли каждая от сотен тысяч до нескольких миллионов жизней. ВИЧ, открытый в 1980-х годах, за сорок лет стал причиной смерти более 40 миллионов человек.

COVID-19 занимает в этом ряду особое место. С одной стороны, по числу избыточных смертей он стал самой тяжёлой пандемией со времён «испанки». С другой — впервые человечество получило эффективные вакцины меньше чем за год, а наблюдение за вирусом велось с помощью геномов практически в реальном времени. Если в 1918 году люди даже не знали, что грипп вызывается вирусом, то в 2020 году структура ключевого белка вируса была известна меньше чем через два месяца после начала вспышки.

23. COVID-19 и грипп

В начале пандемии COVID-19 часто сравнивали с гриппом. Сходство есть: оба вируса — РНК-содержащие, имеют суперкапсид, передаются воздушно-капельным путём и вызывают похожие симптомы. Но различия существенны.

ПризнакВирус гриппаSARS-CoV-2
Геном«минус»-РНК из восьми фрагментоводна «плюс»-РНК, около 30 тысяч нуклеотидов
Где копируется РНКв ядре клеткив цитоплазме
Рецепторсиаловые кислоты на поверхности клетокбелок АПФ2
Инкубационный период1–4 дня, обычно около 2в среднем около 5 дней (у «Омикрона» — около 3)
Как появляются новые вариантымутации и обмен целыми фрагментами генома между вирусамимутации и рекомбинация — обмен участками РНК между разными вариантами при заражении клетки двумя вирусами сразу
Опасность в начале пандемиисезонный грипп опасен прежде всего для пожилыхсмертность в несколько раз выше, чем при сезонном гриппе, особенно у пожилых

24. Коронавирус и ВИЧ

Два вируса из кодификатора ЕГЭ — SARS-CoV-2 и ВИЧ — оба РНК-содержащие и оба имеют суперкапсид, но живут в организме совершенно по-разному.

ПризнакВИЧSARS-CoV-2
Геномдве молекулы «плюс»-РНК, служащие матрицей для обратной транскрипцииодна «плюс»-РНК, сразу служащая иРНК
Ключевой ферментобратная транскриптазаРНК-зависимая РНК-полимераза
Встраивание в хромосомуда — провируснет
РецепторCD4 на Т-хелперахАПФ2 на эпителии дыхательных путей и других тканях
Путь передачичерез кровь, половой, от матери ребёнкувоздушно-капельный
Течениехроническое, пожизненноеострое, обычно проходит за 1–3 недели
Вакцинанетесть, несколько типов

25. Итог: что важно знать о COVID-19

  • SARS-CoV-2 — сложный коронавирус с геномом из одной «плюс»-РНК; его S-белок связывается с рецептором АПФ2.
  • Геном вируса сразу служит иРНК; для размножения вирус синтезирует «минус»-цепь, а на ней — новые «плюс»-цепи. ДНК при этом не образуется.
  • Вирус передаётся воздушно-капельным путём, в том числе от людей без симптомов.
  • Тяжёлое течение во многом вызвано избыточной реакцией иммунной системы.
  • Для диагностики используют ПЦР с обратной транскрипцией и экспресс-тесты на антиген.
  • Вакцины разных типов учат иммунную систему узнавать S-белок и надёжно защищают от тяжёлой болезни.
  • Пандемия стала крупнейшей медицинской и социальной катастрофой XXI века; её последствия — постковидный синдром, избыточная смертность, потери в образовании и экономике.

26. Частые ошибки

  • «COVID-19 — это вирус». COVID-19 — болезнь, а вызывающий её вирус называется SARS-CoV-2. Точно так же ВИЧ — вирус, а СПИД — стадия болезни.
  • «Коронавирус — ретровирус». Нет: у коронавирусов нет обратной транскриптазы, их РНК не переписывается в ДНК и не встраивается в хромосомы.
  • «Геном коронавируса — ДНК» или «двуцепочечная РНК». Геном — одна молекула одноцепочечной «плюс»-РНК.
  • «Коронавирус размножается в ядре». Весь цикл размножения проходит в цитоплазме.
  • «COVID-19 лечат антибиотиками». Антибиотики не действуют на вирусы и нужны только при бактериальных осложнениях.
  • «мРНК-вакцина встраивается в ДНК». иРНК не попадает в ядро и через несколько дней разрушается; встраивать её некому.
  • «Вакцина содержит живой коронавирус». Ни одна из распространённых вакцин не содержит способного к размножению SARS-CoV-2.
  • «Тест на антитела показывает, болен ли человек сейчас». Антитела говорят о перенесённой инфекции или прививке; текущую инфекцию выявляют ПЦР или тестом на антиген.
  • «Эффективность 95 % — значит, заболеют 5 % привитых». Эффективность показывает, во сколько раз снизился риск заболеть по сравнению с непривитыми, а не долю заболевших.
  • «S-белок — фермент вируса». S-белок — белок суперкапсида, обеспечивающий прикрепление и слияние мембран. Ферменты вируса — РНК-полимераза, протеазы, экзонуклеаза — не входят в состав шипов.
  • «Без симптомов — значит, не заразен». Вирус передаётся и до появления симптомов, и людьми, которые вообще не заболели.

27. Интересные факты

  • Первые изображения коронавируса человека в электронном микроскопе получила в 1960-х годах вирусолог из Шотландии Джун Алмейда, начинавшая лаборанткой без высшего образования. В 1968 году она с коллегами предложила название «коронавирусы» за сходство частиц с солнечной короной.
  • Офтальмолог из Уханя Ли Вэньлян в конце декабря 2019 года предупредил коллег о случаях болезни, похожей на SARS, за что получил предупреждение от полиции. В феврале 2020 года он умер от COVID-19.
  • S-белок плохо подходил для вакцины: он слишком легко меняет форму, а антитела должны узнавать именно ту, которую белок имеет до слияния мембран. Ещё до пандемии, работая с вирусом MERS, учёные научились «фиксировать» эту форму, заменив в белке две аминокислоты на пролин. Находку сразу использовали в вакцинах от COVID-19.
  • Первым человеком, привитым одобренной вакциной от COVID-19 вне испытаний, стала 90-летняя британка Маргарет Кинан — 8 декабря 2020 года.
  • SARS-CoV-2 заражает не только людей. В 2020 году в Дании пришлось уничтожить около 17 миллионов норок на зверофермах из-за вспышек коронавируса и заражения им людей, а в США вирус широко распространился среди белохвостых оленей.
  • По сточным водам городов следили за распространением вируса: РНК SARS-CoV-2 выделяется с калом, и рост её концентрации в канализации опережал рост числа выявленных больных.
  • Пандемия стала первой в истории, за развитием которой учёные следили, читая геномы вируса почти в реальном времени.

28. Частые вопросы

Почему коронавирус называют «коронавирусом»?

В электронном микроскопе шиповидные белки на поверхности частицы образуют ореол, похожий на солнечную корону при затмении. Отсюда и название семейства.

Почему вирус поражает именно лёгкие?

Вирус проникает в клетки, на поверхности которых есть рецептор АПФ2 и нужная протеаза. Их много в клетках эпителия носа, бронхов и альвеол. Кроме того, вирус попадает в организм с вдыхаемым воздухом, и лёгкие встречают его первыми. Но АПФ2 есть и в сосудах, кишечнике, почках, поэтому COVID-19 — болезнь не только лёгких.

Почему одни болеют тяжело, а другие не замечают болезни?

Решают возраст, хронические болезни, прививка или перенесённая инфекция, доза вируса и особенности иммунной системы. Например, у части людей с крайне тяжёлым течением обнаружены генетические или аутоиммунные нарушения в системе интерферонов — белков, которые в первые часы инфекции «предупреждают» соседние клетки о вирусе.

Можно ли заболеть COVID-19 повторно?

Да. Уровень антител со временем снижается, а новые варианты ускользают от части антител. Но повторная инфекция обычно протекает легче благодаря клеткам памяти.

Почему прививку нужно повторять, если от кори достаточно двух доз?

Вирус кори почти не меняет свои поверхностные белки, а коронавирус постоянно порождает новые варианты с изменённым S-белком. Кроме того, защита от заражения инфекциями дыхательных путей вообще держится недолго. Поэтому, как и от гриппа, вакцину обновляют, а людям из групп риска рекомендуют повторные прививки.

Опасна ли мРНК в вакцине?

иРНК — обычная для клетки молекула: в каждой клетке ежесекундно синтезируются и разрушаются тысячи иРНК. Вакцинная иРНК работает несколько дней в цитоплазме и разрушается, в ядро не попадает и в ДНК не встраивается.

Помогает ли маска?

Маска задерживает часть капель и аэрозоля, особенно выдыхаемых больным человеком, поэтому снижает вероятность заражения окружающих. Лучше всего защищают плотно прилегающие респираторы. Маска уменьшает риск, но не исключает его полностью, поэтому её сочетают с проветриванием и другими мерами.

Почему говорят, что вакцина «не защищает от заражения, но защищает от смерти»?

Чтобы предотвратить само заражение, нужны антитела в слизистой носа и глотки, где вирус попадает в организм; их уровень после прививки в мышцу невысок и быстро снижается. Чтобы предотвратить тяжёлую болезнь, достаточно быстрого ответа клеток памяти и Т-лимфоцитов: они не успевают помешать вирусу размножиться в носу, но останавливают его продвижение в лёгкие.

Закончилась ли пандемия?

В мае 2023 года ВОЗ объявила, что COVID-19 больше не является чрезвычайной ситуацией международного значения. Вирус никуда не исчез: он продолжает циркулировать и меняться, вызывая подъёмы заболеваемости, но благодаря иммунитету населения тяжёлых случаев стало значительно меньше.

Почему при COVID-19 пропадает обоняние?

Вирус заражает не сами обонятельные нейроны, а окружающие их опорные клетки обонятельного эпителия, на которых много рецептора АПФ2. Воспаление и гибель опорных клеток нарушают работу нейронов. Обычно обоняние возвращается за несколько недель, когда эпителий восстанавливается, но у части людей нарушение затягивается на месяцы, а запахи иногда кажутся искажёнными.

Почему у детей COVID-19 обычно протекает легче?

Полного ответа нет. Предполагают, что у детей быстрее включается врождённый иммунный ответ, в том числе интерфероны, в слизистой носа, а в сосудах меньше хронического воспаления и повреждений, характерных для пожилых людей. Кроме того, у детей реже встречаются хронические болезни, повышающие риск тяжёлого течения.

Чем отличаются прививка и перенесённая болезнь?

Обе дают иммунную память. Но болезнь сопряжена с риском тяжёлого течения, осложнений и постковидного синдрома, а вакцина даёт память без этого риска. Лучшую защиту показывает сочетание: так называемый «гибридный иммунитет» у привитых, которые позже переболели, или у переболевших, которые затем привились.

Почему новый вирус удалось изучить так быстро?

Технологии чтения геномов к 2020 году стали быстрыми и дешёвыми, а учёные десятилетиями изучали коронавирусы SARS и MERS. Структуру S-белка, способы его стабилизации и платформы мРНК-вакцин разработали ещё до пандемии — оставалось вставить новый ген.

29. ЕГЭ

В кодификаторе ЕГЭ по биологии [13] COVID-19 упомянут вместе с другими вирусными болезнями и СПИДом в разделе о вирусах и их значении. Чаще всего вопросы о коронавирусе встречаются в следующих формах.

  • Задания на строение и размножение вирусов (в части 1 и в заданиях с развёрнутым ответом): тип нуклеиновой кислоты, наличие суперкапсида, рецептор, отличие от ВИЧ и от бактериофага.
  • Задания на социальные и медицинские проблемы: пути передачи, профилактика, вакцины, почему антибиотики не помогают.
  • Задачи линии 27 на «плюс»-РНК: геном коронавируса служит иРНК, а при его копировании синтезируется «минус»-цепь.

Разбор задачи линии 27

Геном коронавируса — одноцепочечная «плюс»-РНК, которая служит иРНК. Для размножения вирус синтезирует на ней комплементарную «минус»-цепь, а на «минус»-цепи — новые «плюс»-цепи. Фрагмент «минус»-цепи имеет последовательность:

5ʹ-ГУУАЦЦАУГГУУЦАААЦАУГЦ-3ʹ

Определите последовательность фрагмента «плюс»-цепи и фрагмент белка, если синтез начинается с первого кодона АУГ «плюс»-цепи и заканчивается на стоп-кодоне. Для ответа используйте таблицу генетического кода.

Решение.

  1. «Плюс»-цепь комплементарна «минус»-цепи и антипараллельна ей. Записываем комплементарную последовательность, читая «минус»-цепь от 3ʹ-конца к 5ʹ-концу: 5ʹ-ГЦАУГУУУГААЦЦАУГГУААЦ-3ʹ.
  2. Транслируется «плюс»-цепь, а не «минус»-цепь. Первый кодон АУГ стоит в ней начиная с третьего нуклеотида. Делим на кодоны: АУГ-УУУ-ГАА-ЦЦА-УГГ-УАА.
  3. По таблице генетического кода: Мет-Фен-Глу-Про-Трп; кодон УАА — стоп-кодон.

Ответ: «плюс»-цепь 5ʹ-ГЦАУГУУУГААЦЦАУГГУААЦ-3ʹ; фрагмент белка Мет-Фен-Глу-Про-Трп (5 аминокислот).

Ловушка. В «минус»-цепи из условия тоже есть сочетание АУГ (5ʹ-…ЦЦАУГГУУ…-3ʹ). Но «минус»-цепь не транслируется — она служит только матрицей для синтеза «плюс»-цепей. Кто начнёт трансляцию с неё, получит неверный белок.

Подробные приёмы решения задач на «плюс»- и «минус»-цепи, на ретровирусы и на тРНК — в статье «Задачи на биосинтез белка».

Что обязательно знать к экзамену

  • Возбудитель — SARS-CoV-2, болезнь — COVID-19.
  • Геном — одноцепочечная «плюс»-РНК; вирус сложный (есть суперкапсид).
  • Рецептор — АПФ2; S-белок обеспечивает прикрепление и проникновение.
  • Размножение идёт в цитоплазме без синтеза ДНК; ключевой фермент — РНК-зависимая РНК-полимераза.
  • Путь передачи — воздушно-капельный; профилактика — вакцинация, маски, проветривание, изоляция больных.
  • Антибиотики против вируса не действуют.

30. Для олимпиад

Программируемый сдвиг рамки считывания

Между двумя частями гигантской рамки считывания коронавируса находится «скользкий» участок УУУАААЦ, а за ним — РНК, свёрнутая в плотный узел (псевдоузел). Узел задерживает рибосому, и в это время тРНК в рибосоме могут сместиться на один нуклеотид назад: вместо кодонов УУА и ААЦ они оказываются спарены с кодонами УУУ и ААА. После этого рибосома читает РНК в новой рамке. Сдвиг происходит у значительной части рибосом — по разным оценкам, от пятой части до половины и более, — и соотношение двух белков-предшественников важно для вируса: мутации, меняющие частоту сдвига, резко снижают размножение. Поэтому псевдоузел рассматривают как мишень для будущих лекарств.

Фермент, исправляющий ошибки

РНК-полимеразы обычно не исправляют ошибки, и частота мутаций РНК-вирусов так высока, что их геном редко бывает длиннее 15–20 тысяч нуклеотидов: в более длинном геноме при каждом копировании возникало бы слишком много вредных мутаций. У коронавирусов есть экзонуклеаза, вырезающая неправильно встроенные нуклеотиды, — аналог корректорской активности ДНК-полимераз. Это объясняет рекордно большой геном коронавирусов. Обратная сторона: экзонуклеаза вырезает и некоторые лекарства-аналоги нуклеотидов, поэтому противовирусные препараты подбирают так, чтобы они ускользали от корректорской функции.

Летальный мутагенез

Один из противовирусных препаратов действует необычно: аналог нуклеозида встраивается в вирусную РНК и в следующем цикле копирования может спариваться и с Г, и с А. В результате в геноме вируса накапливается так много мутаций, что потомство становится нежизнеспособным. Это прямое применение идеи «порога ошибок»: если частота мутаций превышает некий предел, популяция вируса теряет генетическую информацию.

Зачем вирусу фуриновый сайт

В S-белке SARS-CoV-2, в отличие от ближайших родственных вирусов летучих мышей, есть короткая вставка — участок, который разрезает фермент клетки фурин ещё при сборке вирионов. Предварительный разрез облегчает последующую активацию S-белка на поверхности клеток дыхательных путей и, по-видимому, усиливает заразность. Это хороший пример того, как одна вставка из нескольких аминокислот может изменить свойства вируса.

Рибосома в рамке 1синтез первого белка-предшественника
«Скользкий» участок УУУАААЦпсевдоузел РНК задерживает рибосому
Сдвиг на 1 нуклеотид назаду части рибосом
Рамка 2стоп-кодон рамки 1 пропущен; синтез длинного белка с РНК-полимеразой
Рис. 10. Программируемый сдвиг рамки считывания у коронавируса.

Как устроена вакцинная иРНК

иРНК мРНК-вакцины — синтетическая молекула, в которой каждый элемент подобран так, чтобы она была устойчивой и транслировалась как можно активнее.

  • Кэп на 5′-конце — такой же, как у иРНК человека; без него рибосома не начнёт трансляцию, а клетка распознает РНК как чужую.
  • Нетранслируемые участки до и после гена взяты из генов человека с устойчивыми, активно транслируемыми иРНК (например, генов глобинов).
  • Ген S-белка с двумя заменами аминокислот на пролин, которые удерживают белок в форме «до слияния», — именно её должны узнавать антитела.
  • Подбор кодонов. Генетический код вырожден, и одну аминокислоту можно закодировать несколькими кодонами. Разработчики выбирают синонимичные кодоны так, чтобы иРНК быстрее транслировалась и была устойчивее; последовательность белка при этом не меняется.
  • Изменённый уридин (N1-метилпсевдоуридин) вместо обычного снижает распознавание иРНК врождённым иммунитетом.
  • Длинный поли(А)-хвост на 3′-конце защищает иРНК от разрушения.

Это хороший пример того, как знание свойств генетического кода и строения иРНК эукариот превращается в работающую технологию.

31. Задания с разбором

Задание 1

Выберите три верных ответа. Вирус SARS-CoV-2: 1) содержит одноцепочечную РНК; 2) имеет суперкапсид; 3) связывается с рецептором АПФ2; 4) содержит обратную транскриптазу; 5) встраивает свой геном в хромосомы; 6) является бактериофагом.

Ответ

1, 2, 3.

Задание 2

Установите последовательность этапов размножения коронавируса в клетке: А) выход вирионов путём экзоцитоза; Б) связывание S-белка с рецептором; В) трансляция геномной РНК рибосомами клетки; Г) слияние оболочки вируса с мембраной; Д) синтез «минус»-цепи и новых «плюс»-цепей РНК; Е) сборка вирионов в мембранах ЭПС и комплекса Гольджи.

Ответ

Б, Г, В, Д, Е, А.

Задание 3

Найдите ошибки в тексте. (1) COVID-19 вызывается коронавирусом SARS-CoV-2. (2) Геном вируса представлен двуцепочечной ДНК. (3) Вирус проникает в клетки, связываясь с рецептором АПФ2. (4) Размножение вируса происходит в ядре клетки. (5) Основной путь передачи — воздушно-капельный.

Ответ

(2) Геном — одноцепочечная «плюс»-РНК. (4) Размножение происходит в цитоплазме.

Задание 4

Установите соответствие между признаками и вирусами. Признаки: А) рецептор CD4; Б) рецептор АПФ2; В) обратная транскрипция; Г) геном сразу служит иРНК; Д) встраивание ДНК-копии в хромосому; Е) воздушно-капельный путь передачи. Вирусы: 1) ВИЧ; 2) SARS-CoV-2.

Ответ

А1, Б2, В1, Г2, Д1, Е2.

Задание 5

Установите соответствие между типами вакцин и тем, что вводят в организм. Вакцины: А) мРНК-вакцина; Б) векторная; В) инактивированная; Г) белковая. Что вводят: 1) убитые вирусы; 2) иРНК с геном S-белка в липидных частицах; 3) готовый S-белок или его участки; 4) неразмножающийся аденовирус с геном S-белка.

Ответ

А2, Б4, В1, Г3.

Задание 6

Почему антибиотики не применяют для лечения COVID-19, но иногда назначают больным с тяжёлым течением?

Ответ

1) Антибиотики действуют на структуры и процессы бактерий (клеточную стенку, бактериальные рибосомы), которых у вирусов нет. 2) Вирус размножается с помощью рибосом и ферментов клетки-хозяина и своих ферментов, на которые антибиотики не действуют. 3) При тяжёлом течении может присоединиться бактериальная пневмония — её лечат антибиотиками.

Задание 7

Выберите три верных ответа. Для диагностики текущей инфекции SARS-CoV-2 используют: 1) ПЦР с обратной транскрипцией; 2) экспресс-тест на белок вируса; 3) обнаружение РНК вируса в мазке из носоглотки; 4) анализ на антитела, выработанные полгода назад; 5) посев на питательную среду, как для бактерий; 6) окраску мазка по Граму.

Ответ

1, 2, 3.

Задание 8

Зачем при ПЦР-диагностике коронавируса нужна обратная транскрипция?

Ответ

1) Геном коронавируса — РНК. 2) ДНК-полимераза, которая работает в ПЦР, копирует только ДНК. 3) Поэтому сначала обратная транскриптаза синтезирует на вирусной РНК комплементарную ДНК, которую затем многократно копируют в ПЦР.

Задание 9

Объясните, почему мРНК-вакцина не может изменить ДНК человека.

Ответ

1) иРНК вакцины транслируется рибосомами в цитоплазме и в ядро не попадает. 2) В клетках человека нет ферментов, которые синтезировали бы ДНК на такой иРНК и встраивали её в хромосомы (обратная транскриптаза и интеграза есть у ретровирусов). 3) Через несколько дней иРНК разрушается ферментами клетки.

Задание 10

Почему SARS-CoV-2 оказалось гораздо труднее остановить, чем вирус SARS 2002–2003 годов?

Ответ

1) SARS-CoV-2 передаётся до появления симптомов и людьми, у которых болезнь протекает бессимптомно или легко. 2) Поэтому изоляция заболевших не прерывает цепочки заражений. 3) Вирус SARS передавался в основном больными с выраженными симптомами, которых было легко выявить и изолировать.

Задание 11

Выберите три верных ответа. Новые варианты SARS-CoV-2 возникают и распространяются благодаря: 1) ошибкам при копировании РНК; 2) естественному отбору вариантов, лучше передающихся от человека к человеку; 3) отбору вариантов, ускользающих от антител; 4) обратной транскрипции; 5) встраиванию генома в хромосомы человека; 6) конъюгации.

Ответ

1, 2, 3.

Задание 12

Почему тяжёлое течение COVID-19 лечат противовоспалительными препаратами, а не только противовирусными?

Ответ

1) На поздних стадиях тяжёлой болезни основной вред тканям причиняет избыточный иммунный ответ (цитокиновый шторм), а не сам вирус. 2) Противовоспалительные препараты (например, дексаметазон) подавляют избыточное воспаление и снижают смертность. 3) Противовирусные средства эффективны главным образом в первые дни, пока вирус активно размножается.

Задание 13

Установите соответствие между тестами и тем, что они обнаруживают. Тесты: А) ПЦР с обратной транскрипцией; Б) экспресс-тест на антиген; В) анализ на антитела. Что обнаруживают: 1) вирусную РНК; 2) белок нуклеокапсида вируса; 3) антитела в крови.

Ответ

А1, Б2, В3.

Задание 14

Почему прививка от COVID-19 спустя несколько месяцев хуже защищает от заражения, но продолжает защищать от тяжёлой болезни?

Ответ

1) Уровень антител, препятствующих проникновению вируса, со временем снижается, а новые варианты ускользают от части антител. 2) Клетки памяти и Т-лимфоциты-убийцы сохраняются долго. 3) Они быстро включаются при заражении, уничтожают заражённые клетки и не дают болезни перейти в тяжёлую форму.

Задание 15

Фрагмент «минус»-цепи РНК коронавируса имеет последовательность 5ʹ-ЦУЦАГУААУУГГУГЦЦАУГ-3ʹ. Определите последовательность «плюс»-цепи и фрагмент белка, если трансляция начинается с первого кодона АУГ «плюс»-цепи. Используйте таблицу генетического кода.

Ответ

1) «Плюс»-цепь комплементарна и антипараллельна «минус»-цепи: 5ʹ-ЦАУГГЦАЦЦААУУАЦУГАГ-3ʹ. 2) Первый кодон АУГ начинается со второго нуклеотида: АУГ-ГЦА-ЦЦА-АУУ-АЦУ-ГАГ. 3) Фрагмент белка: Мет-Ала-Про-Иле-Тре-Глу.

Задание 16

Выберите три верных ответа. Социальными и медицинскими последствиями пандемии COVID-19 стали: 1) избыточная смертность; 2) постковидный синдром у части переболевших; 3) отложенная медицинская помощь при других болезнях; 4) исчезновение вируса гриппа; 5) появление устойчивости вируса к антибиотикам; 6) прекращение мутаций вируса после вакцинации.

Ответ

1, 2, 3.

Задание 17

Чем «плюс»-РНК коронавируса отличается от «минус»-РНК вируса гриппа с точки зрения начала инфекции?

Ответ

1) «Плюс»-РНК сразу служит иРНК: рибосомы клетки транслируют её и синтезируют вирусные ферменты. 2) «Минус»-РНК не может транслироваться, сначала на ней нужно синтезировать иРНК. 3) Поэтому вирус гриппа приносит в клетку собственную РНК-полимеразу в составе вирусной частицы, а коронавирусу это не нужно.

Задание 18

Предложите не менее трёх мер, снижающих передачу SARS-CoV-2 в школе, и объясните их действие.

Ответ

1) Проветривание и очистка воздуха — снижают концентрацию аэрозоля с вирусом. 2) Учащимся и учителям с симптомами оставаться дома — меньше источников заражения. 3) Вакцинация учителей и учащихся из групп риска — защищает от тяжёлого течения. 4) Маски в периоды подъёма заболеваемости — задерживают выдыхаемые капли. Допускаются другие обоснованные меры.

Задание 19 (олимпиадное)

Фрагмент «плюс»-РНК коронавируса: 5ʹ-АУГГЦУУУАААЦУГАЦГГУАУГГУАА-3ʹ. Трансляция начинается с первого кодона. Определите фрагмент белка: а) при обычной трансляции; б) если после прочтения четвёртого кодона рибосома смещается на один нуклеотид назад (последний нуклеотид четвёртого кодона становится первым нуклеотидом следующего). Какое значение имеет такой сдвиг для вируса?

Ответ

а) Кодоны АУГ-ГЦУ-УУА-ААЦ-УГА: Мет-Ала-Лей-Асн, далее стоп-кодон УГА. б) После сдвига кодоны АУГ-ГЦУ-УУА-ААЦ, затем ЦУГ-АЦГ-ГУА-УГГ-УАА: Мет-Ала-Лей-Асн-Лей-Тре-Вал-Трп, далее стоп-кодон УАА. Сдвиг позволяет «обойти» стоп-кодон исходной рамки и синтезировать с одной иРНК два белка разной длины в определённом соотношении — так коронавирус получает свою РНК-полимеразу, ген которой лежит в другой рамке считывания. (В этом фрагменте «скользкий» участок У-УУА-ААЦ похож на настоящий участок сдвига в геноме SARS-CoV-2; в реальности смещаются тРНК, и белок немного отличается от упрощённой модели.)

Задание 20 (олимпиадное)

Геном большинства РНК-вирусов не длиннее 15–20 тысяч нуклеотидов, а геном коронавирусов — около 30 тысяч. Объясните это различие. Почему некоторые аналоги нуклеотидов, эффективные против других РНК-вирусов, слабо действуют на коронавирусы, и как действует препарат, вызывающий «летальный мутагенез»?

Ответ

1) РНК-полимеразы обычно не исправляют ошибки; при высокой частоте мутаций в длинном геноме при каждом копировании возникало бы слишком много вредных мутаций, поэтому длина генома ограничена. 2) У коронавирусов есть экзонуклеаза, исправляющая ошибки копирования; частота мутаций ниже, и длинный геном может сохраняться. 3) Та же экзонуклеаза вырезает встроенные в РНК аналоги нуклеотидов, обрывающие синтез, поэтому они слабее действуют. 4) Препарат летального мутагенеза встраивается в РНК и затем спаривается то с Г, то с А; мутации накапливаются за пределом допустимого, и потомство вируса становится нежизнеспособным.

Литература

  1. Wu F., Zhao S., Yu B. et al. A new coronavirus associated with human respiratory disease in China // Nature. 2020. Vol. 579. P. 265–269.
  2. Zhou P., Yang X.-L., Wang X.-G. et al. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin // Nature. 2020. Vol. 579. P. 270–273.
  3. Wrapp D., Wang N., Corbett K. S. et al. Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation // Science. 2020. Vol. 367. P. 1260–1263.
  4. Hoffmann M., Kleine-Weber H., Schroeder S. et al. SARS-CoV-2 cell entry depends on ACE2 and TMPRSS2 and is blocked by a clinically proven protease inhibitor // Cell. 2020. Vol. 181. P. 271–280.
  5. Viana R., Moyo S., Amoako D. G. et al. Rapid epidemic expansion of the SARS-CoV-2 Omicron variant in southern Africa // Nature. 2022. Vol. 603. P. 679–686.
  6. The RECOVERY Collaborative Group. Dexamethasone in hospitalized patients with Covid-19 // New England Journal of Medicine. 2021. Vol. 384. P. 693–704.
  7. Karikó K., Buckstein M., Ni H., Weissman D. Suppression of RNA recognition by Toll-like receptors: the impact of nucleoside modification and the evolutionary origin of RNA // Immunity. 2005. Vol. 23. P. 165–175.
  8. Polack F. P., Thomas S. J., Kitchin N. et al. Safety and efficacy of the BNT162b2 mRNA Covid-19 vaccine // New England Journal of Medicine. 2020. Vol. 383. P. 2603–2615.
  9. Logunov D. Y., Dolzhikova I. V., Shcheblyakov D. V. et al. Safety and efficacy of an rAd26 and rAd5 vector-based heterologous prime-boost COVID-19 vaccine: an interim analysis of a randomised controlled phase 3 trial in Russia // The Lancet. 2021. Vol. 397. P. 671–681.
  10. Watson O. J., Barnsley G., Toor J. et al. Global impact of the first year of COVID-19 vaccination: a mathematical modelling study // The Lancet Infectious Diseases. 2022. Vol. 22. P. 1293–1302.
  11. Davis H. E., McCorkell L., Vogel J. M., Topol E. J. Long COVID: major findings, mechanisms and recommendations // Nature Reviews Microbiology. 2023. Vol. 21. P. 133–146.
  12. Msemburi W., Karlinsky A., Knutson V. et al. The WHO estimates of excess mortality associated with the COVID-19 pandemic // Nature. 2023. Vol. 613. P. 130–137.
  13. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.

Обсуждение

Загружаем обсуждение…

Читайте также

Все статьи

Пробный урок — бесплатно

Собеседование и тестирование помогут понять уровень и подобрать программу.

Записаться на пробный урок