Ist die Evolution von Grippeviren vorhersehbar?

Richard Neher
Biozentrum, University of Basel

slides at neherlab.org/201804_NaturforschendeGesellschaft.html

Verschiedene Viren

tobacco mosaic virus (Thomas Splettstoesser, wikipedia)

bacteria phage (adenosine, wikipedia)

influenza virus wikipedia

human immunodeficiency virus (HIV) wikipedia

Viren benötigen Wirtszellen zur Replikation
sind wenig mehr als Genom + Kapsid
ihr Genom ist 5-200Tsd Basen lang (+Ausnahmen)
zahlenmäßig dominierenden Organismen $\sim 10^{31}$

Influenza virus

Oberflächenproteine Hämagglutinin (HA) und Neuraminidase (NA)
Influenza A Virus

verbreitet in Vögeln und Säugetieren
Viele Subtypen der Oberflächenproteine
H3N2, H1N1, H7N9, H5N1
H3N2, H1N1 zirkulieren im Menschen

Influenza B Virus

infiziert fast nur Menschen
zwei Linien die sich vor 30-40 Jahren geteilt haben
B/Victoria und B/Yamagata
nur eine Variante ist in der tri-valenten Impfung enthalten

Influenza A Viren des Menschen

slide by Trevor Bedford

Wöchentliche Grippe-Fallzahlen in den USA

Data by the US CDC

Genom-Sequenzen verraten die Ausbreitung und Evolution des Virus

A/Brisbane/100/2014
GGATAATTCTATTAACCATGAAGACTATCATTGCTTT...

A/Brisbane/1000/2015
GGATAATTCTATTAACCATGAAGACTATTATTGCTTT...

A/Brisbane/1/2017
GGATAATTCTATTAACCATGAAGACTATCATTGCTTT...

... Tausende Sequenzen mehr...

Phylogenetische Analyse von Virus-Genomen

RNA Viren haben hohe Mutationsraten. Ein Genom mutiert all paar Wochen.

Influenza Viren verändern sich und weichen so dem Immunsystem aus.
Impfstoffe müssen laufend aktualisiert werden

nextflu.org

joint work with Trevor Bedford & his lab

Ist Evolution von Grippe vorhersehbar?

Extrapolation
Vorhersagen durch Vergleich mit historischen Mustern
Erfolgreiche Varianten anhand des Verzweigungsmuster detektieren
Antigenische Eigenschaften zirkulierender Viren

RN, Russell, Shraiman, eLife, 2014

Modell einer evolvierenden Influenza Virus Population

RN, Annual Reviews, 2013; Desai & Fisher; Brunet & Derrida; Kessler & Levine

Fitness Inferenz anhand des Baums

$$P(\mathbf{x}|T) = \frac{1}{Z(T)} p_0(x_0) \prod_{i=0}^{n_{int}} g(x_{i_1}, t_{i_1}| x_i, t_i)g(x_{i_2}, t_{i_2}| x_i, t_i)$$

RN, Russell, Shraiman, eLife, 2014

Vorhersage der dominierenden H3N2 Influenza Variante

Nicht Grippe-spezifisch
Wie kann das Model weiter verbessert werden? (siehe z.B. das Model von Luksza & Laessig)
Anwendbarkeit in anderen Zusammenhängen?

RN, Russell, Shraiman, eLife, 2014