Zmienność genetyczna współczesnych szczepów wirusa grypy A w USA

Wirus grypy A (IAV) jest jednym z najważniejszych patogenów układu oddechowego świń. Wpływa na śmiertelność i jest powodem istotnych strat w produkcji świń związanych z obniżoną wydajnością oraz kosztami szczepienia i leczenia. Ponadto, świnie są wrażliwe na zakażenie wirusami pochodzącymi od innych gatunków, w tym człowieka, w organizmie świni może dochodzić do tworzenia się nowych reasortantów IAV ważnych z punktu widzenia zdrowia publicznego. Badanie zmienności genetycznej szczepów IAV może pomóc w identyfikacji nowych linii genetycznych wirusa a także w poprawie strategii zwalczania.

Zmienność genetyczna IAV u świń w USA wynika z dryfu i przesunięcia genetycznego, jak i zawleczenia wirusa od innych gatunków (Vincent et al., 2008). Obecnie obserwuje się krążenie trzech dominujących typów (H1N1, H1N2 i H3N2) i czterech głównych linii genetycznych określających pochodzenie segmentów genomu. Klasyczna świńska linia genetyczna H1 pochodzi od ludzkiego wirusa, który wywołał pandemię grypy „hiszpanki” w 1918 roku. Drugą główną linię genetyczną odkryto w końcu lat 1990-tych, której gen hemaglutyniny (HA i neuraminidazy (NA) pochodził od ludzkiej grypy sezonowej H3N2. Ta linia genetyczna była nowym reasortantem zawierającym segmenty HA, NA i PB1 pochodzące z wirusa grypy sezonowej H3N2, segmenty PB2 i PA z wirusa grypy ptaków, a segmenty NP., M i NS z klasycznego wirusa grypy świń H1N1. Z tego powodu nowy wariant wirusa grypy nazwano potrójnym reasortantem. Wirusy te ulegały dalszej reasortacji z klasycznym H1N1 świń uzyskując od niego geny HA i/lub NS, co dało w efekcie pojawienie się nowych wariantów H1N1 i H1N2. Geny wewnętrzne potrójnego reasortanta (TRIG) zachowały charakter świński (M, N, NS), ptasi (PB2 i PA) lub ludzki (PB1). Trzecia linia genetyczna była efektem kolejnego przeniesienia genu H1 szczepów ludzkich na świnie na początku 21 wieku. Najnowsza linia genetyczna pochodzi od wirusów ludzkiej grypy sezonowej H3N2 z lat 2010-2011. Wirusy należące do tych czterech linii genetycznych HA stale ewoluują formując nowe klady (Ryc. 1).

Ryc. 1. Drzewa filogenetyczne pokazujące pokrewieństwo genetyczne genów H1 i H3 wirusa grypy świń w 2015 roku uzyskane metodą maximum likelyhood. Kolor gałęzi odpowiada nazwie kladu. Długość gałęzi jest proporcjonalna do ilości zmian dla każdej pozycji nukleotydowej.

W 2009 roku w USA uruchomiono ogólnokrajowy program monitoringu ewolucji IAV, a szczególnie szczepu H1N1, który wywołał pandemię w 2009 roku (H1N1pdm09). Program ten zainicjowało ministerstwo rolnictwa USA (USDA) a został wdrożony w ramach National Animal Health Laboratory Network (NAHLN). System opiera się na anonimowym dostarczaniu informacji i materiału przez producentów i lekarzy. Analizowane dane dotyczą stanu pochodzenia, typu próbki, powodu wysłania jej do badania, wieku świni, typu fermy, wyniku badania, oraz, jeśli to możliwe, sekwencji genów HA, NA i M, które są deponowane w NCBI (GenBank) GenBank (Korslund et al., 2012; Anderson et al., 2013). Stały rozwój programu doprowadził do lepszego zrozumienia szczerzenia się IAV w USA, oraz dynamiki ewolucji wirusa od 2010 roku (Anderson, et al., 2013; Anderson, et al., 2015; Lewis, et al., 2014; Rajão, et al., 2015).

Corocznie od 2010 roku w USA stwierdza się endemiczne występowanie H1N1, H1N2 i H3N2. W ostatnich 5 latach występowanie H1N1 i H1N2 wykrywano z podobna częstością (po ok. 35% zidentyfikowanych wirusów). Szczepy H3N2 stanowiły około 30%. W celu precyzyjnego określenia zmienności wirusów H1 wprowadzono system nomenklatury kładów HA wykorzystującej litery alfabetu greckiego. Linie klasyczne określono jako α, β, γ, γ-2, i H1N1pdm09, a ludzkie jako δ-1, δ-2. Geny H3 (klaster IV) podzielono na 6 genetycznych kladów (A do F), i klad H3 podobny do ludzkiego (human-like) (Rajão, et al., 2015; Kitikoon, et al., 2013). Od stycznia 2015 do grudnia 2015 roku spośród wykrytych szczepów 43% H1 należało do kladu γ klasycznej linii genetycznej a 37% sklasyfikowano jako δ-1 linii ludzkiej grypy sezonowej/ Pozostałe 20% wirusów H1 należało do kladów δ-2, α, H1N1pdm09 i β. Z potencjalnych 8 kladów H3 klaster IV-A stanowił większość szczepów krążących w stadach produkcyjnych (61% wirusów H3 w 2015 roku). Zaobserwowano również wzrost liczby szczepów określanych jako H3 podobne do ludzkich (od 5% w grudniu 2014 do 25% w grudniu 2015). Pozostałe klastery IV-B, IV-C, IV-D, IV-E spotykano sporadycznie.

Obecnie wiadomo, że również zmienność NA może wpływać na skuteczność szczepionek przeciw grypie (Sandbulte, et al., 2016). Mimo, że komplikuje to sytuację, w NA występuje znacznie mniej linii genetycznych niż w HA. Geny HA występują z N2 pochodzącymi z jednej z dwóch linii ludzkiej grypy sezonowej H3N2 (z roku 1998 lub 2002: (Nelson et al., 2011)), geny N1 z klasycznej linii świńskiej lub ludzkich genów N1 z sezonowej grypy H1N1 (Anderson et al., 2013). W obecnie krążących u świń wirusach grypy najczęściej występuje klasyczny wariant N1 (94%) a N2 pochodzi z 2002 roku (83%). Rzadziej wykrywa się również wariant N2 z 1998 roku.

Innym analizowanym aspektem jest przestrzenny profil zmienności IAV u świń w USA. USA dzielą się na 5 regionów raportowania zgodnych z dystryktami USDA-APHIS (Ryc. 2A). Między regionami występują różnice w zmienności wirusów i ilości dostarczanych danych (Ryc. 2B). W regionach 1 i 2 częściej wykrywa się H1N1, w regionie 3 H1N2 and w regionie 4 częściej występuje H3N2. Mimo obecności 1,6 mln świń w regionie 5 liczba uzyskanych danych jest niewielka. W regionie 2 stwierdza się największą zmienność kladów HA i NA i pochodzi stąd większość uzyskanych izolatów. Rozkład geograficzny występowania kladów HA i NA wskazuje na sensowność wykorzystania takich badań w doborze składników szczepionek przeciw grypie.

Ryc. 2. Regiony USDA-APHIS (A), i liczba izolatów od świń sklasyfikowanych jak na rycinie 1, uzyskanych z każdego regionu w 2015 roku (B).

Badanie zmienności IAV jest skomplikowane zarówno na poziomie regionalnym jak i globalnym. W USA u świń występuje 17 kladów genetycznych pochodzących od człowieka, które ulegają ewolucji. Podobne zjawiska obserwuje się w skali globalnej (Watson, et al.,2015; Bahl, et al.,2015; Vijaykrishna, et al. 2015). Badania genetyczne współczesnych szczepów IAV informują nas o ewolucji antygenowej i powinny być prowadzone na próbkach reprezentujących populacje świń z różnych regionów. Dane te stanowią podstawę do doboru antygenów szczepionek przeciw grypie i mogą być wykorzystane do analizy zagrożeń zdrowia zwierząt i człowieka.