ویروس یک ماشین کپی است
ویروس نمیتواند به‌تنهایی از خودش کپی بسازد. باید وارد یک سلول زنده شود و ابزار آن سلول را قرض بگیرد. وقتی درون است، کپی پشت کپی پشت کپی میسازد.
هر کپی فرصتی برای یک اشتباه است. اشتباه در کد ژنتیکی یک جهش است. بیشتر جهشها فایده‌ای ندارند. تعداد کمی ویروس را به شکلی تغییر میدهند که اهمیت دارد.
این فرگشت معمولی است. فقط خیلی خیلی سریع پیش می‌رود.
چرا ویروسهای RNAدار اینقدر سریع جهش میکنند
آنفلوانزا و SARS-CoV-2 ژن‌هایشان را به جای DNA در RNA نگه می‌دارند. آن‌وقت سه چیز با هم کار میکنند.
نسخه‌برداری شلخته است. سلول‌های شما DNA را با مرحله بازبینی کپی میکنند. این مرحله بیشتر خطاها را پیدا و درست میکند. آنزیمی که RNA آنفلوانزا را کپی میکند هیچ مرحله بازبینی ندارد.
نرخ‌های اندازه‌گیری‌شده برای بسیاری از ویروسهای RNAدار تقریباً 0.1 تا 1 اشتباه تازه در کل ژنوم در هر بار کپی شدن است. به زبان ساده، یک ذره ویروس تازه اغلب در یک حرف با ویروسِ والد خود فرق دارد. سلول‌های خود شما خطاها را خیلی کمتر از این می‌سازند.
تعدادها عظیم است. یک فرد آلوده می‌تواند میلیاردها ذره ویروس داشته باشد. وقتی اینقدر کپی‌برداری رخ می‌دهد، حتی یک خطای نادر هم تقریباً حتماً جایی پدید می‌آید.
نسل‌ها کوتاه است. ذره‌های ویروس تازه ظرف چند ساعت ساخته میشوند. یک ویروس آنفلوانزا می‌تواند در یک هفته درون یک فرد نسل‌های بیشتری را پشت سر بگذارد تا یک خانواده انسانی در سیصد سال.
نسخه‌برداری شلخته، تعداد عظیم و نسل کوتاه سه مؤلفه فرگشت سریع‌اند. ویروسها هر سه را دارند.
یک استثنای جالب هست. کروناویروس‌ها، از جمله SARS-CoV-2، پروتئینی به نام nsp14 دارند که مثل بازبین عمل میکند و بعضی حرف‌های غلط را برمی‌دارد. همین باعث میشود کندتر از آنفلوانزا جهش کنند. این ما را از واریانت‌های تازه نجات نداد، و دلیلش ارزش فهمیدن دارد.
رانش آنتیژنی: تغییر کوچک سالانه
ویروسهای آنفلوانزا پر از دو پروتئین سطحی‌اند. یکی هماگلوتینین است که معمولاً با HA کوتاه میشود. دیگری نورآمینیداز است، یا NA. حرف H و N در نامی مثل H3N2 از همین دو پروتئین می‌آید.
دستگاه ایمنی شما شکل HA و NA را یاد می‌گیرد. آنتی‌بادی‌هایی میسازد که به آن‌ها قفل میشوند و جلوی ویروس را می‌گیرند.
حالا جهش را اضافه کنید. تغییرهای کوچک شکل HA و NA را هر بار کمی هل میدهند. CDC به این رانش آنتیژنی می‌گوید. هر تغییر به‌تنهایی کوچک است. فصل پس از فصل، تغییرها روی هم انباشته میشوند.
سرانجام سطح ویروس آن‌قدر تغییر کرده که آنتی‌بادی‌های آموزش‌دیده روی آنفلوانزای سال پیش دیگر خوب آن را نمی‌گیرند. ویروس از سد دفاع‌هایی که قبلاً کار می‌کردند می‌گذرد.
برای همین می‌توانید در طول زندگی بارها و بارها آنفلوانزا بگیرید، و برای همین نمی‌شود واکسن را یک بار ساخت و رها کرد.
جهش آنتیژنی: جهش بزرگ و نادر
آنفلوانزای A ترفند دومی دارد و عجیب است. ژنومش یک رشته نیست. به هشت قطعه جدا تقسیم شده است.
اگر دو ویروس آنفلوانزای متفاوت هم‌زمان یک سلول را آلوده کنند، قطعه‌ها می‌توانند مخلوط و دوباره بسته‌بندی شوند. مثلاً یک خوک می‌تواند هم‌زمان با آنفلوانزای پرندگان و آنفلوانزای انسانی آلوده شود. ویروسی که بیرون می‌آید ممکن است پروتئین HAای داشته باشد که تقریباً هیچ دستگاه ایمنی انسانی تا به حال ندیده است.
این جهش آنتیژنی است. تغییری ناگهانی و بزرگ است، نه آهسته.
جهش نادر است، اما بیشتر همه‌گیری‌های آنفلوانزا از همین راه شروع میشوند. همه‌گیری‌های 1918، 1957، 1968 و 2009 همگی از ویروسهای آنفلوانزای A بودند که برای بیشتر مردم تازه بودند. ویروس همه‌گیری H1N1 سال 2009 ترکیبی از ژن‌هایی با تبار آنفلوانزای خوک، پرنده و انسان داشت.
راهی مفید برای به یاد سپردن: رانش یک ویرایش آهسته روی جلد یک کتاب است. جهش یک جلد کاملاً تازه است.
چرا واکسن آنفلوانزا هر سال از نو ساخته میشود
چون آنفلوانزا می‌راند، واکسن باید دنبالش کند. این دنبال کردن سازمان‌یافته است و از پیش انجام میشود.
سازمان جهانی بهداشت (WHO) شبکه‌ای جهانی برای پایش اداره میکند. آزمایشگاه‌هایی در کشورهای بسیار در تمام سال ویروسهای آنفلوانزا را از بیماران جمع میکنند و داده‌ها را می‌فرستند. سالی دو بار WHO نشستی برگزار میکند و توصیه میکند واکسن بعدی چه چیزی داشته باشد. نشست نیمکره شمالی در فوریه برگزار میشود. نشست نیمکره جنوبی در سپتامبر برگزار میشود.
بعد هر کشور برای خودش تصمیم می‌گیرد. در ایالات متحده سازمان غذا و دارو (FDA) تصمیم نهایی را برای واکسن‌های داخلی می‌گیرد، معمولاً در فوریه یا مارس.
واکسن‌های اخیر آنفلوانزا در ایالات متحده سه‌ظرفیتی (trivalent) هستند. یعنی سه مؤلفه دارند: یک ویروس آنفلوانزای A(H1N1)، یک ویروس آنفلوانزای A(H3N2) و یک ویروس آنفلوانزای B از تبار ویکتوریا.
به مشکل زمان‌بندی توجه کنید. تصمیم در اواخر زمستان گرفته میشود. واکسن پاییز بعد به مردم می‌رسد. تولید ماه‌ها طول می‌کشد، پس انتخاب باید پیش‌بینی باشد، نه گزارش.
بعضی سال‌ها پیش‌بینی بسیار خوب است. بعضی سال‌ها ویروسهای در گردش پس از تصمیم‌گیری دچار رانش میشوند و تطابق ضعیف‌تر است. این شکست علم نیست. این همان چیزی است که وقتی باید جهت تغییر یک جمعیت در حال فرگشت را چند ماه زودتر پیش‌بینی کنید رخ می‌دهد.
تماشای زنده فرگشت: SARS-CoV-2
همه‌گیری کووید-19 نخستین بار بود که انسان‌ها فرگشت یک ویروس را در مقیاس جهانی، تقریباً در زمان واقعی، تماشا کردند. میلیون‌ها توالی ژنوم ویروس به‌طور عمومی به اشتراک گذاشته شد. دانشمندان می‌توانستند هفته به هفته تبارهای تازه را ببینند که بالا می‌آیند و پایین می‌روند.
آلفا در اواخر 2020 در بریتانیا شناسایی شد و سریع‌تر از نسخههای پیش از خود پخش شد. دلتا در هند شناسایی شد و در سال 2021 موج‌های شدید به راه انداخت. بعد در 26 نوامبر 2021 WHO واریانت نگران‌کننده تازه‌ای را نام‌گذاری کرد: اُمیکرون.
اُمیکرون تعداد غیرعادی تغییر داشت. نخستین گزارش فنی WHO تقریباً 26 تا 32 تغییر را تنها در پروتئین سنبله (spike) شمرد. سنبله دستگیره‌ای است که ویروس برای ورود به سلولها به کار می‌برد و هدف اصلی آنتی‌بادی‌های ماست. اُمیکرون ظرف چند هفته دنیا را فرا گرفت.
یادتان باشد SARS-CoV-2 بازبین دارد و کندتر از آنفلوانزا جهش میکند. با این حال این همه را در حدود دو سال پدید آورد. دلیلش مقیاس است. صدها میلیون عفونت، هر کدام با میلیاردها کپی، به تعداد نجومی فرصت برای جهش می‌رسند. نرخ خطای پایین ضرب‌شده در تعداد غول‌پیکر کپی‌ها باز هم جهش‌های فراوان می‌دهد.
جهش تصادفی است. گسترش نه.
این مهم‌ترین ایده این صفحه است و به‌راحتی میشود وارونه‌اش فهمید.
جهشها اتفاقی رخ میدهند. ویروس تلاش نمی‌کند از واکسن بگریزد و نمی‌داند واکسنی وجود دارد. اصلاً هدفی ندارد.
اما آنچه بعد رخ می‌دهد تصادفی نیست. تغییری که به ویروس اجازه می‌دهد آسان‌تر سلولها را آلوده کند، یا سریع‌تر از خودش کپی بسازد، یا از آنتی‌بادی‌های موجود رد شود، به نوادگان بیشتری منتقل میشود. تغییری که ویروس را در هر یک از این‌ها بدتر کند ناپدید میشود. از میان ابری عظیم از تغییرهای تصادفی، آن‌هایی که خوب پخش میشوند همان‌هایی‌اند که سرانجام نامشان را می‌گذاریم.
پس الگو هدفمند به نظر می‌رسد و نیست. انتخاب طبیعی است که روی جهش عمل میکند، دقیقاً همان‌طور که در مقاومت آنتی‌بیوتیکی عمل میکند.
مقایسه با سرخک
اگر ویروسها همیشه از واکسن‌ها جلو بیفتند، واکسن سرخک باید خیلی پیش شکست می‌خورد. نخورده است. واکسنی که اول بار در دهه 1960 استفاده شد هنوز کار میکند.
ویروس سرخک ویروسی RNAدار است و جهش میکند. دانشمندان حدود 24 ژنوتیپ از آن را نام‌گذاری کرده‌اند. ژنوتیپ گروهی است که با توالی ژنتیکی‌اش تعریف میشود. اما همه آن ژنوتیپ‌ها هنوز به یک سروتیپ تعلق دارند، یعنی گروهی که دستگاه ایمنی نمیتواند از هم تشخیص‌شان دهد. آنتی‌بادی‌هایی که روی یک ویروس سرخک آموزش دیده‌اند هنوز همه ویروسهای دیگر را می‌شناسند.
چرا این تفاوت؟ سرخک از دری بسیار باریک وارد سلولها میشود. از نقطه‌های اتصال خاصی روی سطح سلول استفاده میکند که گیرنده (receptor) نام دارند، از جمله یکی به نام CD150 روی بعضی سلول‌های ایمنی و یکی به نام نکتین-4 (nectin-4) روی سلول‌های راه‌های هوایی. پروتئینهای سطحی ویروس باید دقیقاً با این گیرنده‌ها جور بمانند.
آنتی‌بادی‌ها هم چند بخش از آن پروتئین‌ها را هم‌زمان می‌گیرند، نه فقط یک نقطه. پس تغییری که ویروس را از آنتی‌بادی‌ها پنهان کند معمولاً هم‌زمان توانایی‌اش برای ورود به سلولها را هم خراب میکند.
آنفلوانزا می‌تواند ظاهر سطحش را عوض کند. سرخک نمیتواند. همان فرایند، قیدهای متفاوت، نتیجه‌ای بسیار متفاوت.
این مقایسه واقعاً مفید است. نشان می‌دهد «ویروسها فرگشت می‌یابند» به این معنا نیست که «واکسن‌ها از کار می‌افتند». اینکه یک واکسن نیاز به بهروزرسانی دارد یا نه به این بستگی دارد که آن ویروس مشخص چقدر آزادی تغییر دارد.
نکته اصلی
ویروسها روشن‌ترین نمونه روزمره فرگشت‌اند که بیشتر ما در عمرمان با آن روبه‌رو می‌شویم.
آنفلوانزا می‌راند، پس واکسن هر سال از روی داده‌های تازه پایش از نو ساخته میشود. آنفلوانزای A می‌تواند دچار جهش آنتیژنی هم بشود، و همه‌گیری‌ها از همین‌جا شروع میشوند. SARS-CoV-2 برای یک ویروس RNAدار کند جهش میکند، اما آن‌قدر افراد را آلوده کرد که با این حال واریانت‌های تازه پدید آمدند. سرخک هم جهش میکند، اما نمیتواند از واکسن خودش بگریزد، چون کاری که سطحش باید انجام دهد آن را در جای خود قفل کرده است.
هیچ‌یک از این ویروسها قصد و هدفی ندارند. کپی میشوند، اشتباه میکنند و نسخه‌هایی که بهتر پخش میشوند همان نسخه‌هایی میشوند که می‌بینیم.
اگر سازوکار زیربنایی را می‌خواهید، انتخاب طبیعی را بخوانید. اگر نمونه دیگری می‌خواهید که هر سال در بیمارستان‌ها اندازه‌گیری میشود، مقاومت آنتی‌بیوتیکی را بخوانید.