Covid-19 pandemian hillitsemisen uudeksi haasteeksi ovat nousseet koronaviruksen (SARS-CoV-2) uudet variantit eli muunnokset. Kaikki virukset muuttuvat luonnostaan evoluution myötä. Jotkut muutokset viruksen perimässä eivät vaikuta viruksen ominaisuuksiin, kun taas toiset edesauttavat viruksen monistumista ja siksi lisääntyvät virusten parissa. Tällaisia ominaisuuksia voivat olla esim. viruksen helpompi tarttuvuus, pienempi virulenssi tai muutos, joka vaikuttaa viruksen diagnostiikkaan.
Koronaviruksen perimä koostuu RNA-molekyylistä, ihmisen perimä on DNA:ta. Molemmat ovat nukleiinihappoja, jotka koostuvat emäksistä, eli molekyyleistä sitoutuneina toisiinsa. RNA:n typpiemäkset ovat adeniini (A), guaniini (G), sytosiini (C), ja urasiili (U; DNA:ssa urasiilin paikalla on tymiini (T)). Perimät rakentuvat näistä emäksistä ja tätä järjestystä voidaan lukea kuin kirjainjonoa, esim. AUCCGUAGUC… jne. Perimä sisältää rakennusohjeet kaikkiin viruksen tarvitsemiin proteiineihin.
SARS-CoV-2 koronaviruksen perimässä on reilut 29 000 emästä, eli ”kirjainjono” on yli 29 000 merkin pituinen. Emäksien tarkka järjestys selvitettiin heti kun uutta virusmuotoa alettiin epäillä ja se on tutkijoiden saatavilla avoimissa tietokannoissa (referenssigenomi). Viruksen muuntumisessa kyse on siitä, että yksi tai useampi emäs saattaa muuttua toiseksi (esim. A -> C) tai kirjainjonon merkkien määrä lisääntyä tai vähentyä. Muutoksesta ei välttämättä ole mitään haitallisia seurauksia diagnostiikan, rokotusten tai taudin vakavuuden kannalta.
Viime kuukausina koronaviruksen perimässä on havaittu useita merkittäviä muutoksia. Näitä ovat ns. brittivariantti, Etelä-Afrikan variantti, Brasilian variantti, ja Suomesta löytynyt Fin-796H.
- VOC 202012/01 (B.1.1.7), ns. UK-variantti
- 501Y.V2 (B.1.351), ns. Etelä-Afrikan variantti
- 501Y.V3 (P.1.), ns. Brasilian variantti
Kaikille havaituille ulkomaisille virusvarianteille on yhteistä emästen vaihtuminen eli mutaatio N501Y viruksen piikkiproteiinia (S-proteiinia) koodaavassa kirjainjonossa eli geenissä. Näissä virusmuunnoksissa mutaatio on johtanut S-proteiinin aminohapon vaihtumisen toiseksi, koska viruksen ohje ko. proteiinin valmistamiseksi on muuttunut. N501Y-mutaatio muuttaa siis viruksen proteiinisynteesissä aminohappo asparagiinin tyrosiiniksi, ja tällä on vaikutusta viruksen piikkiproteiinin ominaisuuksiin.
Miten näitä muutoksia tutkitaan?
Uusien muutosten aiheuttamien mahdollisten haitallisten ja vaarallisten vaikutusten vuoksi, on tärkeää selvittää millaisia muutokset ovat ja tunnistaa ne potilaat, jotka kantavat epidemiologisesti merkittäviä variantteja. Varianttipositiivisuus vaikuttaa mm. eristys- ja karanteeniaikojen käytäntöihin. Muutosten selvittämiseen on useampi vaihtoehto/taso:
1. Muutoksen tunnistaminen (kyllä/ei) nukleiinihappojen monistus- ja osoitusmenetelmällä eli PCR:llä/mutaatioseulonta. Tämä ensivaiheen analyysi ei kerro tarkemmin mikä emäsmuutos/variantti on kyseessä. Jos näytteessä todetaan mutaatio, se yleensä ohjataan vielä sekvensointiin virusvariantin selvittämiseksi.
2. Yksittäisen muutoksen tarkempi selvittäminen PCR:llä & Sanger-sekvensoinnilla. Tässä analyysissä monistetaan yksittäinen koronavirusgenomin alue polymeraasiketjureaktioon perustuvalla menetelmällä ja sekvensoidaan. Mahdollista selvittää yksi muutos/yksi näyte, joita voidaan analysoida useampi, esim. 96 näytettä, kerralla.
3. Kokogenomisekvensointi, eli koko virusgenomin emäsjärjestyksen (yli 29 000 merkkiä) selvittäminen samanaikaisesti. Mahdollistaa kaikkien virusgenomissa mahdollisesti esiintyvien jo tunnettujen tai tuntemattomien muutosten selvittämisen. Tämä analyysi voidaan tehdä useasta kymmenestä tai sadasta näytteestä kerralla, hyödyntäen uuden sukupolven sekvensointimenetelmää (NGS). Lue lisää NGS-menetelmästä täältä. PCR-tekniikoihin ja Sanger-sekvensointiin verrattuna, NGS on suhteessa nopeampaa ja edullisempaa.
Yllä olevissa analysointivaihtoehdoissa, näytteistä syntyvää sekvenssidataa (kirjainjonot) verrataan olemassa olevaan referenssigenomiin, eli jo selvitettyyn virusperimän emäsjärjestykseen ja poikkeamat sekvenssissä pystytään havaitsemaan bioinformatiikan eli laskentateknisillä ohjelmistoilla.
Kaikkiin näihin analysointitapoihin käy lähtömateriaaliksi sama RNA, joka on eristetty nenänielu- tai sylkinäytteistä varsinaista diagnostista koronavirustestiä varten. Varianttien selvittäminen eli sekvensointi on siis jatkotutkimus samoille näytteille.
Uusien ratkaisujen myötä sekvensointitulos nopeammin
Tällä hetkellä yksittäisten varianttien selvitystyö ja tarkemman sekvensointituloksen saaminen voi kestää jopa kaksi viikkoa. Ajan kulumiseen vaikuttaa ensinnäkin varsinainen laboratorio/pipetointityö, jossa menee noin 1-2 päivää. Tämän jälkeen valmistunut näytteiden kirjasto siirretään sekvensointilaitteiden analysoitavaksi. Laiteajon valmistuttua lopputuotteena on sekvenssitiedosto (virusperimän 29 000 merkkiä) kustakin potilasnäytteestä, ja tämä tiedosto lähetetään tarkempaan bioinformatiikan analyysiin.
Sekvensointilaitteistoja on erilaisia ja niistä jokaisella on erilainen kapasiteetti. Laitteilla ei ole kustannustehokasta ajaa yksittäisiä näytteitä, vaan analysoitavia näytteitä on kerättävä kymmeniä, tai satoja yhteen ajoon. Pienemmän kapasiteetin laitteilla voidaan ajaa esim. 20-70 näytettä kerralla, isomman kapasiteetin laitteistoihin puolestaan voidaan yhdistää jopa yli 2000 näytettä samaan ajoon. Kerralla tai yhdessä päivässä (onneksi) ei kuitenkaan näin paljon koronapositiivisia näytteitä Suomessa vielä ilmaannu, joten näytteitä on kerättävä muutaman päivän, tai jopa viikon ajan yhteen, jotta mahdollistetaan toimiva & kustannustehokas menetelmä. Ajo kestää laitteesta riippuen noin 12-38h.
Myös sekvenssidatan/tiedostojen huolelliseen analysointiin (bioinformatiikka) on varattava aikaa. Tähänkin on onneksi olemassa jo nopeita & helppokäyttöisiä valmiita ohjelmistoja, joilla virusvarianttiraportit saadaan alle tunnissa. Koko prosessin nopeuttaminen ja siihen vaikuttavien osa-alueiden optimoiminen on merkittävässä roolissa, jotta tartuntaketjut saadaan tehokkaasti pysäytettyä. Parhaimmillaan tämä prosessi, positiiviseksi todetusta RNA-potilasnäytteestä tarkan varianttityypin selvittämiseksi, on tehtävissä jopa kolmessa päivässä.
Ota yhteyttä, jos tarvitset lisätietoja.
Hyödyllistä infoa myös Koronaviruksen sekvensointi -koosteessamme.
Blogin kirjoitti Sanna Siltanen, PhD.