Ricerca scientifica, ecco i “paesaggi” dell’evoluzione per capire il futuro del coronavirus

Gli studi che tracciano il valore adattativo delle molte mutazioni virali danno indicazioni sul modo in cui la pandemia di COVID-19 potrebbe progredire

Nell’autunno 2019, il mondo ha iniziato uno dei più grandi esperimenti di biologia evolutiva della storia moderna. Da qualche parte vicino alla città di Wuhan, nella Cina orientale, un coronavirus ha acquisito la capacità di vivere negli esseri umani invece che nei pipistrelli e in altri mammiferi che erano stati i suoi ospiti. Si è adattato ulteriormente per diventare efficiente nel diffondersi da una persona all’altra, anche prima che contro di esso potessero alzarsi le difese del corpo. Ma la partita a scacchi evolutiva non si è fermata lì, e a dimostrarlo abbiamo una zuppa di lettere greche di varianti di SARS-CoV-2.

I ricercatori di tutto il mondo stanno cercando di capire più in dettaglio l’evoluzione del virus, e in particolare come le mutazioni in SARS-CoV-2 alterino la sua capacità di diffondersi tra gli esseri umani. “Un virus oggi ben adattato domani potrebbe non esserlo più, perché l’ospite ha sviluppato una resistenza, e a quel punto deve trovare un nuovo modo per infettare quell’ospite. È il motore che porta alle novità”, dice Justin Meyer, biologo evolutivo all’Università della California a San Diego.

Per quanto sia triste il tributo umano a questa pandemia in costante mutamento, l’abbondanza di dati scientifici che seguono l’evoluzione del virus mentre si muove nel mondo è stata istruttiva. “COVID ci ha dato alcuni degli esempi più ‘belli’ di evoluzione in azione”, osserva Luca Ferretti, genetista statistico al Big Data Institute dell’Università di Oxford.

Prevedere esattamente ciò che il virus potrebbe fare in seguito potrebbe non essere mai possibile, ma i virologi di tutto il mondo hanno acquisito conoscenze su quali componenti di SARS-CoV-2 sono più inclini a evolvere e quali elementi proteici chiave non possono cambiare senza minare la sua sopravvivenza. Queste informazioni potrebbero indicare la strada per vaccini migliori e più duraturi. Altri studi hanno evidenziato i modi in cui il virus potrebbe evolvere la resistenza alle terapie con anticorpi monoclonali usate per curare alcuni pazienti gravemente malati di COVID-19. Questo lavoro ha anche individuato specifiche combinazioni di mutazioni che, se diventano diffuse nella popolazione virale, potrebbero inaugurare una nuova fase della pandemia, trainata da varianti particolarmente abili nell’eludere le nostre difese immunitarie, oltre che a diffondersi rapidamente.

Gli scienziati sono stati in grado di fare queste scoperte rivisitando con tecnologie moderne un concetto proposto quasi un secolo fa, quello di “paesaggi” della fitness (o adattativi). Possono usare i paesaggi della fitness per quantificare la relazione tra i cambiamenti nel genoma virale e la sua capacità di replicarsi e infettare un nuovo ospite. Le mappe topografiche che rappresentano questa relazione possono aiutare a ricostruire la storia del virus, e potrebbero anche, almeno potenzialmente, prevederne il futuro.

Secondo Tobias Warnecke, biologo evolutivo molecolare all’Imperial College London, i paesaggi della fitness hanno un valore inestimabile per collegare il genotipo al fenotipo. Attingendo al loro potenziale quantitativo, dice, gli scienziati possono porre domande su come due mutazioni influenzano in modo concertato un tratto, e come potrebbero essere influenzate dalla presenza di una terza mutazione. “In questo modo – dice – si può passare attraverso molte combinazioni diverse di genotipi e vedere in che modo questo influisca su ciò che interessa.”

Il valore dei paesaggi della fitness non è limitato al confronto tra un piccolo numero di cambiamenti nei genomi o nelle proteine. Le moderne tecniche sperimentali permettono una strategia chiamata “scansione mutazionale profonda” (deep mutational scanning), in cui i ricercatori eseguono su piccola scala un esperimento di selezione naturale e confrontano il valore di fitness di decine di migliaia di varianti mutanti in una sola volta. Il processo può rivelare interazioni impreviste tra le mutazioni che possono aiutare o danneggiare un virus, e può identificare percorsi di evoluzione futura di un virus che potrebbero rappresentare nuove minacce per gli esseri umani.

Una mappa dinamica per la sopravvivenza
In L’origine delle specie, Charles Darwin scrisse che la selezione naturale era il risultato della “conservazione delle differenze e variazioni individuali favorevoli e l’eliminazione di quelle che sono dannose”. A quei tempi, prima della comprensione scientifica della genetica e delle mutazioni, i biologi potevano solo cercare di immaginare come piccoli cambiamenti ereditabili di un organismo potessero influire sulla sua riproduzione.

L’idea si consolidò pienamente solo con il lavoro del biologo americano Sewall Wright. In un suo fondamentale articolo del 1932, pubblicato sui Proceedings of the Sixth International Congress of Genetics, aveva usato diagrammi disegnati a mano per illustrare come un organismo potrebbe muoversi attraverso il “campo quasi infinito di possibili variazioni attraverso cui la specie può farsi strada sotto la pressione della selezione naturale”.

Wright aveva notato che un modo per visualizzare il vasto numero di possibili varianti di molecole lineari come il DNA o i peptidi era quello di trattare ogni possibilità come un punto unico nello spazio. L’evoluzione della molecola equivale quindi a un percorso tra i punti corrispondenti alle varianti iniziali e finali che tocca tutti i punti corrispondenti alle varianti intermedie lungo il percorso.

Come aiuto per comprendere i grafici complessi di queste varianti e i percorsi evolutivi tra di essi, Wright ha mostrato che possono essere rappresentati, in modo più intuitivo, come “paesaggi adattativi” in due o tre dimensioni. [Considerando il caso delle tre dimensioni, NdR] Gli assi orizzontali tracciano la variabilità del DNA (genotipi) o dei tratti fisici (fenotipi); più due varianti sono simili, più sono vicine sul piano. L’asse verticale misura l’impatto della variazione sulla fitness evolutiva. Le varianti che migliorano le probabilità di sopravvivenza di un organismo, aumentandone la prole vitale o migliorando la funzione delle sue proteine, si appollaiano sui picchi, mentre quelle che la diminuiscono languono nelle valli.

Ciò che risulta è un paesaggio con una topografia unica, spiega Adam Lauring, biologo evolutivo alla University of Michigan Medical School. Se le varianti mappate non differiscono molto nel loro impatto sulla fitness, allora il paesaggio appare abbastanza piatto, molto simile al Nebraska. Le varianti con grandi effetti sulla fitness creano un paesaggio che somiglia più da vicino agli imponenti “camini delle fate” del Bryce Canyon nello Utah. La selezione naturale favorisce le varianti sui picchi: il genotipo o il fenotipo medio di una specie dovrebbe evolvere spostandosi da un picco all’altro, idealmente lungo una cresta tra di essi piuttosto che attraverso le valli. (Sottopopolazioni isolate con genotipi diversi possono anche aiutare una specie a trovare la sua strada per superare la distanza.)

“Se ti sposti di qualche metro, cadi, e rialzarsi diventa molto difficile”, dice Lauring. “Ci sono meno percorsi per muoversi.”

“La teoria è molto semplice. Hai solo bisogno di conoscere il tuo genotipo, e poi si misura la fitness e si può sostanzialmente prevedere tutto ciò che potrebbe accadere”, aggiunge Claudia Bank, che effettua ricerche sulle dinamiche evolutive all’Università di Berna, in Svizzera. Ma mettere in pratica la teoria è un’altra cosa.

Una complicazione è che un paesaggio della fitness, sia per SARS-CoV-2 sia per un essere umano, non è statico. Una mutazione che permette a un organismo di digerire un nuovo cibo ma lo fa crescere più lentamente potrebbe essere un salvavita o un handicap letale. L’impatto di una variante sulla fitness evolutiva dipende dall’ambiente in cui un organismo vive. Quando l’ambiente cambia, cambia anche il panorama della fitness. “Mutazioni diverse hanno impatti diversi, e questo dipende dal paesaggio della fitness”, spiega Lauring.

Creare paesaggi della fitness è anche una sfida matematica. Anche una piccola proteina di appena 100 aminoacidi avrà 20100 possibili varianti, più del numero di atomi nell’universo. È difficile immaginare, figuriamoci calcolare, le complesse topografie dei paesaggi della fitness per le proteine reali e la probabilità dei vari percorsi attraverso di essi. Di conseguenza, per decenni i paesaggi della fitness sono stati più aiuti concettuali che strumenti per misurazioni concrete. Solo di recente, con una potenza di calcolo avanzata e una migliore tecnologia di biologia molecolare, gli scienziati sono stati in grado di iniziare a creare paesaggi quantitativi per singole proteine e organismi semplici come batteri e virus.

Batteri e virus sono soggetti quasi ideali per i paesaggi della fitness. Crescendo a milioni o miliardi in una provetta, ogni cellula batterica o particella virale può ospitare una mutazione dell’enorme pool di varianti che descrivono il paesaggio della fitness. I loro brevi tempi di generazione, sulla scala di ore o giorni, permettono inoltre di identificare nuove mutazioni molto più rapidamente. La maggior parte dei virus che usano l’RNA come materiale genetico, compresi l’HIV e il virus dell’epatite C (HCV), sono anche molto inclini alla mutazione perché la polimerasi dell’RNA che replica il loro genoma non controlla le copie in modo efficace come fa la polimerasi del DNA.

Una delle prime cose che gli scienziati hanno iniziato a scoprire è che nonostante la complessità dei paesaggi, gli organismi sono spesso confinati a una manciata di massimi di fitness e a un numero limitato di percorsi tra di essi. Un articolo di “Science” del 2006 ha esaminato da vicino una proteina chiamata beta-lattamasi, che inattiva gli antibiotici come la penicillina. Gli effetti congiunti di cinque mutazioni a singolo nucleotide nella beta-lattamasi possono aumentare la sua resistenza agli antibiotici di un fattore 100.000. Con i suoi colleghi, Daniel Weinreich, che all’epoca era borsista post-dottorato di biologia evolutiva alla Harvard University e ora dirige un laboratorio alla Brown University, ha notato che l’evoluzione del gene potrebbe potenzialmente seguire 120 percorsi per accumulare tutte le cinque mutazioni.

Tuttavia, quando gli scienziati hanno creato e testato le varianti intermedie in laboratorio, hanno scoperto che la selezione naturale rendeva inagibili 102 percorsi, dato che producevano proteine difettose o incomplete. Le possibilità si sono ristrette ulteriormente quando hanno scoperto che molte delle combinazioni rimanenti non riuscivano a migliorare la resistenza agli antibiotici. “Questo implica – hanno scritto – che il nastro proteico della vita può essere in gran parte riproducibile e persino prevedibile.”

Scansione mutazionale profonda
Ma prevedere la futura traiettoria evolutiva anche del più piccolo virus o proteina richiede una conoscenza dettagliata del suo paesaggio della fitness, che è difficile da ottenere. Storicamente, gli scienziati dovevano creare una alla volta le mutazioni di un nucleotide o un amminoacido, per poi purificare la proteina mutante e valutarne la funzione. Era spesso poco pratico esaminare più di alcune delle possibili mutazioni.

Lo sviluppo di tecnologie per la scansione mutazionale profonda ha cambiato tutto. Questa tecnica permette agli scienziati di generare decine di migliaia di varianti in una sola volta, e poi far competere tutte le varianti l’una contro l’altra per determinare il loro valore di fitness relativo.

I ricercatori iniziano creando una libreria di geni varianti che possono essere clonati in cellule coltivate. I geni codificano per una proteina la cui attività è legata a qualche funzione biochimica che può essere selezionata in laboratorio, così le cellule che producono le versioni più attive di queste proteine diventeranno più abbondanti, mentre le cellule che esprimono versioni inattive spariranno. Con il sequenziamento del DNA ad alta velocità, i ricercatori possono poi contare i numeri di ogni variante ottenendo una misura quantitativa di quanto bene ha funzionato su più generazioni.

“È un approccio davvero potente per cogliere l’impatto delle mutazioni”, dice Valerie Soo, una ricercatrice del laboratorio di Warnecke a Londra.

Con i virus a RNA soggetti a mutazioni, gli scienziati non hanno nemmeno bisogno di generare varianti in laboratorio: il macchinario di replicazione genomica, soggetto a errori, introduce le mutazioni e fa il lavoro per loro. Ognuna delle milioni di copie del virus è leggermente diversa dai suoi vicini, creando quello che i virologi chiamano uno sciame mutante. All’interno di questo sciame c’è la materia prima dell’evoluzione per selezione naturale.

“I microbi si riproducono così rapidamente che l’evoluzione avviene quotidianamente. Si può in effetti monitorare l’evoluzione in tempo reale”, nota Samuel Alizon, ecologo evolutivo presso il laboratorio MIVEGEC di Montpellier, in Francia.

I ricercatori hanno scoperto che pochissime delle mutazioni in questi sciami sono trasmesse a nuovi ospiti, in particolare quando solo una piccola quantità di virus è necessaria per causare un’infezione. Parte di questo fenomeno è dovuta al puro caso: quale variante è nel posto giusto al momento giusto. Ma abbozzando paesaggi di fitness, i ricercatori possono provare a capire perché alcune varianti vengono trasmesse molto più frequentemente di altre, osserva Raul Andino-Pavlovsky, virologo all’Università della California a San Francisco.

“Un virus deve essere in grado non solo di generare diversità, ma anche di tollerare questa diversità”, spiega Andino-Pavlovsky. “Se sei un virus e puoi tollerare i cambiamenti, è probabile che tu sia un virus che ha una capacità di adattamento molto migliore.”

Secondo il biologo evolutivo Tyler Starr, i paesaggi della fitness sono il modo perfetto per descrivere, sia concettualmente sia quantitativamente, come i virus delle infezioni croniche o persistenti eludono i ripetuti sforzi per neutralizzarli messi in atto dal sistema immunitario dell’ospite. Proprio per questo Starr si è associato al laboratorio di Jesse Bloom al Fred Hutchinson Cancer Research Center per studiare come l’HIV coevolve con l’immunità anticorpale in un paziente nel corso di un’infezione. Il suo obiettivo era capire in che modo questa corsa agli armamenti evolutiva tra un virus e il sistema immunitario produce anticorpi con proprietà protettive, che potrebbero aiutare gli scienziati che sviluppano un vaccino contro l’HIV a concentrarsi sulle parti più immutabili del virus.

Ma non appena Starr ha iniziato il suo lavoro sull’HIV, un altro virus ha rubato la sua attenzione e quella del mondo.

Più mutevole del previsto
Quando SARS-CoV-2 ha iniziato la sua diffusione globale, Starr e Bloom hanno capito che i paesaggi della fitness fornivano un modo utile per iniziare a studiare il nuovo patogeno, fornendo un metodo per capire quali fattori erano importanti nelle proteine virali e quanti cambiamenti il virus poteva tollerare.

All’inizio, gli scienziati che hanno sequenziato SARS-CoV-2 non hanno notato molte variazioni genetiche. Anche se i coronavirus usano una RNA polimerasi a rischio di errore per copiare il loro materiale genetico, SARS-CoV-2 ha una seconda proteina che funge da correttore. Quindi i ricercatori non si aspettavano che il virus acquisisse altrettante mutazioni dell’influenza o dell’HIV.

Bloom e Starr sapevano che la proteina spike sarebbe stata la parte del coronavirus sotto la più intensa pressione evolutiva perché è quello che il sistema immunitario riconosce più fortemente e quello che il virus usa per entrare nelle cellule del corpo. Con i suoi 1273 aminoacidi, tuttavia, la proteina spike è troppo grande per una rapida valutazione di un paesaggio della fitness. Starr ha quindi deciso di concentrarsi su una sotto-sezione della proteina spike conosciuta come il dominio di legame del recettore, che conta solo poche centinaia di aminoacidi, un problema molto più trattabile.

Starr ha usato una scansione mutazionale profonda per creare 4000 diverse mutazioni del dominio di legame del recettore. Ha valutato la loro capacità di legarsi alla proteina umana ACE2 (la “serratura” molecolare che la proteina virale apre per entrare nelle cellule) e di essere riconosciuta dal sistema immunitario. Se SARS-CoV-2 non avesse potuto tollerare molte variazioni nel suo dominio di legame del recettore, Starr si aspettava di vedere che la sua capacità di riconoscimento o di legame all’ACE2 sarebbero state gravemente compromesse dalle mutazioni.

Ma non è affatto quello che è successo. “Il dominio di legame del recettore aveva un sacco di mutazioni diverse che hanno di fatto migliorato l’affinità di legame”, dice Starr. “Questo sembrava un dominio davvero tollerante con una notevole capacità di evolvere. Eppure all’epoca l’idea dominante era che i coronavirus non si evolvessero antigenicamente e che probabilmente sarebbero stati stabili.”

Ma se il dominio di legame del recettore tollera più variazioni del previsto, non è così per tutte le parti della proteina spike. Queste parti della proteina spike possono quindi essere buoni obiettivi per nuovi vaccini e anticorpi monoclonali, dice Starr, poiché hanno meno probabilità di mutare nel tempo.

Quando nel giugno 2020 hanno pubblicato questi risultati sul server di lavori in preprint biorxiv.org, dice Starr, è stato un enorme campanello d’allarme, una delle prime indicazioni che SARS-CoV-2 era più mutevole di quanto si pensasse. Ora Starr e Bloom stanno ripetendo i loro esperimenti di scansione mutazionale profonda sulle varianti alfa, beta, gamma, delta e omicron per ottenere indizi simili sui loro domini di legame del recettore.

Starr, Bloom e colleghi hanno anche creato una mappa di tutte le possibili mutazioni al dominio di legame del recettore che non interferiscono con il legame con ACE2. Il loro lavoro, pubblicato su “Science” nel gennaio 2021, ha identificato potenziali mutazioni in questo dominio che potrebbero eludere la neutralizzazione da terapie con anticorpi monoclonali. Il loro lavoro ha anche identificato diverse mutazioni emerse in un individuo immunocompromesso che è stato infettato con SARS-CoV-2 per 150 giorni. Quando questa persona ha ricevuto la terapia con anticorpi monoclonali al giorno 145, il virus aveva già sviluppato resistenza ai prodotti disponibili sul mercato. Per Starr, è stata la dimostrazione che questi anticorpi monoclonali terapeutici potrebbero diventare meno efficaci nel tempo sia in un singolo paziente sia più in generale, quando il virus muta.

Inoltre, come Starr, Bloom e i loro colleghi hanno descritto l’estate scorsa su “Nature Communications”, diverse mutazioni diffuse possono ciascuna aiutare SARS-CoV-2 a eludere alcuni degli anticorpi che il sistema immunitario di solito dirige contro le parti più identificabili del dominio di legame del recettore. Finora, nessun lignaggio virale si è evoluto per avere tutte e tre queste mutazioni. “Tuttavia, pensiamo che la comparsa di una tale variante sarebbe uno sviluppo preoccupante e dovrebbe essere monitorata da vicino”, hanno scritto.

Il mondo in cui SARS-CoV-2 è emerso per la prima volta alla fine del 2019 era diverso da quello di oggi. La capacità del virus di produrre molte copie di se stesso e di diffondersi tra gli individui è stata sicuramente la chiave del suo successo all’inizio della pandemia. Tuttavia, con l’aumento del numero di persone immunizzate tramite la vaccinazione e l’infezione acquisita naturalmente, il virus subirà una maggiore pressione per eludere le risposte immunitarie. Lauring dice che molte mutazioni arrivano a compromessi, e SARS-CoV-2 non fa eccezione. Una variante in grado di sfuggire al sistema immunitario ma con una ridotta trasmissione del virus potrebbe non essere stata favorita a inizio 2020, ma potrebbe esserlo ora.

“Per il virus noi siamo l’ambiente”, dice Lauring. “Se noi cambiamo, il paesaggio cambia.”

Articolo a cura di “Le Scienze”. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati