Monkeypox ha una maggiore probabilità di evoluzione durante il periodo di tempo mentre i numeri dei casi sono bassi

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Le vaccinazioni e gli adeguamenti dello stile di vita nelle popolazioni a rischio hanno consentito alle autorità sanitarie pubbliche di  gestire gradualmente meglio il vaiolo delle scimmie  negli Stati Uniti. Tuttavia, un nuovo studio avverte che è troppo presto per rilassarsi.

“Solo perché una malattia come il vaiolo delle scimmie sembra controllabile non significa che rimarrà controllabile”, ha affermato l’autore principale del documento, il professore assistente di biologia dell’Università del Maryland Philip Johnson.

“Le epidemie a lenta ebollizione come il vaiolo delle scimmie hanno una maggiore probabilità di evoluzione durante il periodo di tempo, mentre il numero di casi è basso. Ciò significa che aspettare fino a quando il numero di casi non sarà di nuovo alto darebbe al vaiolo delle scimmie l’opportunità di adattarsi in modo più sostanziale agli esseri umani”.

Il documento, “Conseguenze evolutive dell’intervento ritardato per il vaiolo delle scimmie”, è stato pubblicato sulla rivista medica  The Lancet  il 21 settembre 2022.

Nel documento, Johnson e i suoi coautori hanno citato altri focolai di alto profilo esacerbati dall’evoluzione dei patogeni, tra cui il recente focolaio del virus Ebola (2013-16) e le varianti delta e omicron di SARS-CoV-2. Questi cambiamenti evolutivi probabilmente hanno reso i virus più difficili da controllare.

“Ci aspettiamo che le infezioni zoonotiche – malattie che hanno origine dagli animali, come l’ebola dei pipistrelli e il vaiolo delle scimmie dei roditori – si adattino male alle persone quando saltano per la prima volta tra le specie”, ha detto Johnson. “Ma con un tempo sufficiente, gli agenti patogeni possono mutare solo un po’ ad ogni nuova trasmissione e diventare sempre più bravi a prosperare negli esseri umani”.

Il team spera che la sua ricerca incoraggi i responsabili politici a evitare il compiacimento e la procrastinazione quando affrontano virus apparentemente “controllabili” come il vaiolo delle scimmie. Se implementate in modo sufficientemente rapido e coerente durante tutto il ciclo di vita di un’epidemia, misure di controllo come la tracciabilità dei contatti o la vaccinazione possono offrire alle autorità sanitarie pubbliche la migliore possibilità di eradicare completamente l’epidemia prima che si verifichi un’evoluzione significativa.

A lungo termine, l’obiettivo del team è aumentare le risposte globali a qualsiasi infezione zoonotica nella sua prima iterazione, quando è relativamente più economica e più facile da controllare.

“L’evoluzione dei patogeni non può essere fermata, ma può sicuramente essere rallentata da misure di controllo”, ha detto Johnson. “Abbiamo risorse limitate per la salute pubblica, il che significa che abbiamo bisogno di più ricerca per sviluppare strumenti in grado di identificare possibili adattamenti evolutivi nelle prime fasi e aiutare a guidare gli sforzi di controllo dove saranno più efficaci”.


Il vaiolo delle scimmie è una rara malattia zoonotica causata dall’MPXV del genere Orthopoxvirus, che include il virus variola, l’agente eziologico del vaiolo1,2,3. Con un periodo di incubazione di 5-21 giorni, la malattia umana inizia tipicamente con febbre, mialgia, affaticamento e mal di testa, spesso seguiti da eruzione maculopapulare nel sito dell’infezione primaria che può diffondersi ad altre parti del corpo1. Sebbene il serbatoio naturale di MPXV rimanga sconosciuto, animali come roditori e primati non umani possono ospitare il virus, causando occasionali ricadute sull’uomo1,2,3. L’MPXV è endemico nei paesi dell’Africa occidentale e centrale e le rare segnalazioni al di fuori di queste regioni sono state associate alle importazioni da quei paesi endemici1,2,3,4.

Siamo ora di fronte al primo focolaio multi-paese senza legami epidemiologici noti con l’Africa occidentale o centrale1, con oltre 2.500 casi confermati segnalati in tutto il mondo al 18 giugno 2022 (rif. 5,6), dal primo caso confermato il 7 maggio 2022 nel Regno Unito4. Diverse misure vengono raccomandate dalle autorità sanitarie internazionali per contenere la trasmissione di MPXV1, compreso l’uso di vaccini per contatti stretti selezionati di pazienti con vaiolo delle scimmie (post-esposizione) e per gruppi a rischio di esposizione professionale al vaiolo delle scimmie (pre-esposizione)7. Il virus può essere trasmesso da uomo a uomo per stretto contatto con lesioni, fluidi corporei, goccioline respiratorie e materiali contaminati1,3, ma l’attuale contesto epidemiologico pone un certo grado di incertezza sulla dinamica della trasmissione virale e sull’entità dell’epidemia.

Gli sforzi internazionali di sequenziamento hanno immediatamente iniziato a caratterizzare l’MPXV che causava l’epidemia per identificarne l’origine e tracciarne la diffusione. I dati sul genoma forniranno inoltre informazioni sulla traiettoria evolutiva del virus, sulla diversità genetica e sulle caratteristiche fenotipiche rilevanti per guidare la diagnostica, la profilassi e la ricerca. Qui riportiamo la rapida applicazione della metagenomica del fucile ad alto rendimento per ricostruire le prime sequenze del genoma dell’MPXV associate all’epidemia di MPXV del 2022, fornendo preziosi dati genomici e filogenetici su questa minaccia emergente.

Per ottenere rapidamente le prime informazioni sul posizionamento filogenetico e sulle tendenze evolutive dell’MPXV che ha causato l’epidemia del 2022, abbiamo concentrato la nostra analisi su una prima sequenza del genoma dell’MPXV correlata all’epidemia, rilasciata pubblicamente il 20 maggio 2022 dal Portogallo8, nonché su sequenze aggiuntive rilasciate nel Centro nazionale per l’informazione sulla biotecnologia (NCBI) prima del 27 maggio 2022, con 15 sequenze in totale (la maggior parte provenienti dal Portogallo) (tabelle supplementari 1 e 2). La rapida integrazione della prima sequenza nella diversità genetica globale dell’MPXV (Fig. 1) ha confermato che il virus dell’epidemia del 2022 appartiene al clade 3 dell’MPXV (all’interno del clade precedentemente designato “Africa occidentale”, che include anche il clade 2)9. Gli MPXV dei clades 2 e 3 sono più comunemente segnalati dal Camerun occidentale alla Sierra Leone e di solito hanno un rapporto di mortalità (CFR) <1%.

Tutti i ceppi di MPXV dell’epidemia finora sequenziati si raggruppano strettamente (Fig. 1), suggerendo che l’epidemia in corso ha un’unica origine. Il cluster di focolai del 2022 (lignaggio B.1)9 forma un ramo divergente discendente da un ramo con virus (lignaggio A.1)9 associato all’esportazione di MPXV nel 2018 e nel 2019 da un paese endemico (Nigeria) nel Regno Unito, Israele e Singapore12,13, con collegamento genetico a un grande focolaio verificatosi in Nigeria nel 2017–2018 (rif. 13) (Fig. 1). Dati questi risultati e l’epidemiologia storica dell’MPXV (casi rari in paesi non endemici), è probabile che l’emergere dell’epidemia del 2022 sia il risultato dell’importazione(i) di questo MPXV da un paese endemico,

Il recente rilascio di una sequenza MPXV da un caso associato al viaggio del 2021 dalla Nigeria agli Stati Uniti (USA_2021_MD; n. di accesso ON676708)14 collocato filogeneticamente tra le sequenze del 2018-2019 e del 2022 (Fig. 1) è allineato con tale ipotesi. Non si può, tuttavia, escludere l’ipotesi di un prolungato periodo di diffusione criptica nell’uomo o negli animali in un Paese non endemico (ad esempio dopo le importazioni segnalate 2018-2019). La trasmissione silenziosa da uomo a uomo (ad esempio, a causa di una diagnosi insufficiente) sembra meno probabile considerando le caratteristiche della malattia note degli individui affetti, che di solito coinvolgono lesioni cutanee localizzate o generalizzate1. La trasmissione criptica in un ospite animale in un paese non endemico seguita da un recente evento di spillover è un’altra ipotesi, anche se, ancora,

Complessivamente, i dati attuali indicano uno scenario di più di un’introduzione da un’unica origine, con eventi superdiffusori (ad esempio, saune utilizzate per incontri sessuali) e viaggi all’estero che probabilmente innescheranno la rapida diffusione mondiale15,16. Considerando il periodo di incubazione previsto di 5-21 giorni3, un campionamento limitato (inclusi dati di genotipizzazione virale limitati per i primi casi confermati nel 2022) e il fatto che più casi sono stati confermati in diversi paesi in un periodo di 3 settimane1 dopo un primo rapporto su 7 Maggio 2022 da parte del Regno Unito1, l’identificazione dei casi indice associati a tali presunte numerose introduzioni può essere difficile. Ad esempio, sebbene il primo caso confermato sia stato ipotizzato come indice dell’epidemia (dovuto al viaggio dalla Nigeria al Regno Unito il 3-4 maggio 2022 (rif. 1,3)),

a, filogenesi globale MPXV che mostra che il cluster di focolai del 2022 (lignaggio B.1) appartiene al clade 3. Clade e lignaggio sono designati secondo la nomenclatura proposta da Happi et al.9. b, Diversità genetica all’interno del cluster di focolai, comprese le 15 sequenze analizzate in questo studio (rilasciato nell’NCBI prima del 27 maggio 2022). Il simbolo di eliminazione (Δ) indica una grande eliminazione (11.335–12.247 nel gene MPXV-UK_P2-010) condivisa da sequenze che si segregano in un piccolo sottocluster. c, Albero filogenetico dell’epidemia aggiornato con le sequenze disponibili nell’NCBI al 15 giugno 2022 (fornito durante la revisione per una contestualizzazione più aggiornata). L’elenco delle sequenze utilizzate in queste analisi filogenetiche è dettagliato nella tabella supplementare 2 e gli allineamenti sono forniti come dati supplementari.

In particolare, l’MPXV del 2022 diverge dai relativi virus del 2018-2019 per una media di 50 polimorfismi a singolo nucleotide (SNP) (Figure 1 e 2), che è molto di più (circa 6-12 volte di più) di quanto ci si aspetterebbe considerando le stime precedenti del tasso di sostituzione degli Orthopoxvirus (1-2 sostituzioni per genoma all’anno)17. Un ramo così divergente potrebbe rappresentare un’evoluzione accelerata. Da notare, tra i 46 SNP (24 non sinonimi, 18 sinonimi e quattro intergenici) (Tabella Supplementare 3) che separano il virus epidemico MPXV del 2022 dalla sequenza di riferimento (MPXV-UK_P2, 2018; GenBank accession n. MT903344.1), tre cambiamenti di amminoacidi (D209N, P722S e M1741I) si sono verificati nella glicoproteina di superficie immunogenica B21 (MPXV-UK_P2-182)18. Studi sierologici hanno precedentemente indicato che la proteina B21 del vaiolo delle scimmie potrebbe essere un importante bersaglio anticorpale con diversi epitopi immunodominanti chiave18. Come discusso in precedenza19, un’accurata ispezione del profilo di mutazione di quei 46 SNP ha ulteriormente rivelato un forte bias mutazionale, con 26 (14 non sinonimi, dieci sinonimi e due intergenici) e 15 (nove non sinonimi e 16 sinonimi) essendo GA > AA e TC > TT sostituzioni nucleotidiche, rispettivamente (Fig. 2 e Tabella Supplementare 3).

È stato creato uno strumento (https://github.com/insapathogenomics/mutation_profile) per schermare rapidamente questi e altri profili di mutazione. La firma (iper)mutazione osservata potrebbe suggerire la potenziale azione degli enzimi 3 (APOBEC3) catalitici del polipeptide 3 (APOBEC3) che modificano l’mRNA dell’apolipoproteina nell’editing del genoma virale20. Inoltre, MPXV è ricco di A:T, quindi un bias di mutazione che porta a un’ulteriore incorporazione di A/T suggerisce l’azione di un driver mutazionale non casuale, come APOBEC3. Infatti, gli enzimi APOBEC3 possono essere sovraregolati in risposta all’infezione virale, essendo in grado di inibire un’ampia gamma di virus introducendo mutazioni attraverso meccanismi indipendenti dalla deaminasi e dalla deaminasi20,21. In alcune circostanze (ad esempio, livelli più bassi di deaminazione), le mutazioni che mediano APOBEC3 potrebbero non distruggere completamente il virus,

Il repertorio e il livello degli enzimi APOBEC3 dipendono dalla specie/tessuto ospite e diversi enzimi mostrano preferenze diverse per il nucleotide o motivo (come dinucleotidi o tetranucleotidi) da mutare20,23,24. Ad esempio, le sostituzioni nucleotidiche GA > AA e TC > TT osservate nell’epidemia MPXV del 2022 sono risultate anche essere il pattern mutazionale preferito degli enzimi APOBEC3A umani (espresso nei cheratinociti e nella pelle) durante l’editing genetico del papillomavirus umano (HPV) nell’HPV1a verruche plantari e biopsie cervicali precancerose HPV1625. In questa fase non è possibile discernere se l’eccesso di mutazioni osservate nell’MPXV 2022 sia una conseguenza diretta dell’editing del genoma mediato da APOBEC3 nell’ospite umano.

Inoltre, il presunto effetto APOBEC3 sull’evoluzione dell’MPXV aumenta l’incertezza riguardo alle origini e alle introduzioni dell’epidemia del 2022, oltre alla complessità del contesto epidemiologico. Ciò solleva la necessità di studi futuri incentrati sul peso di APOBEC3 nella diversificazione MPXV. In particolare, sono giustificati studi funzionali che valutino se questo driver mutazionale innesca l’evoluzione adattiva dell’MPXV verso caratteristiche fenotipiche alterate, come una maggiore trasmissibilità.

Le mutazioni di colore chiaro rappresentano gli SNP che separano il cluster di focolai MPXV 2022 dalla sequenza di riferimento MPXV_UK_P2 (MT903344.1) (tabella supplementare 3). Le mutazioni di colore scuro rappresentano la diversità genetica all’interno del cluster focolaio (Tabella Supplementare 4).

Ulteriori analisi filogenomiche hanno rivelato i primi segni di microevoluzione di questo virus durante la trasmissione da uomo a uomo. Tra le 15 sequenze di focolai qui analizzate, abbiamo rilevato l’emergere di 15 SNP (otto non sinonimi, quattro sinonimi, due intergenici e uno stop guadagnato) (Fig. 2 e Tabella 4 supplementare). In particolare, tutti gli SNP seguono anche lo stesso bias mutazionale, inclusi otto GA> AA (sei non sinonimi e due sinonimi) e sette TC> TT (due non sinonimi, due sinonimi, uno stop guadagnato e due intergenici) sostituzioni nucleotidiche. Ciò suggerisce inoltre un’azione continua di APOBEC3 durante l’evoluzione di MPXV. Tra i sette rami filogenetici direttamente discendenti dal più recente antenato del ceppo epidemico MPXV (Fig. 1), abbiamo identificato un sottocluster (supportato da due SNP) di due sequenze (PT0005 e PT0008, ciascuno con un SNP aggiuntivo) che condividono anche una cancellazione frameshift di 913 bp in un gene che codifica per un intervallo ankyrin/host (MPXV-UK_P2-010). Sebbene gli eventi di perdita genica non siano inaspettati per gli orthopoxvirus (ad esempio, il virus variola ha molto probabilmente subito un’evoluzione riduttiva26), questi sono stati precedentemente osservati nel contesto della circolazione endemica di MPXV in Africa centrale, ipotizzando che siano correlati alla trasmissione da uomo a uomo27.

I nostri dati rivelano ulteriori indizi sull’evoluzione virale in corso e sul potenziale adattamento umano. La maggior parte degli SNP emergenti nelle sequenze dal Portogallo non erano fissati al 100% nella popolazione virale (frequenze 75-95%), supportando l’esistenza della diversità della popolazione virale intra-paziente. Un’ulteriore ispezione di varianti a singolo nucleotide (iSNV) intra-paziente minori nei campioni Illumina ha portato alla convalida di 11 iSNV minori non sinonimi (su cinque campioni), di nuovo la maggior parte con la “firma APOBEC3” (Tabella supplementare 5). In particolare, tra le trascrizioni virali mirate, si evidenziano alcune proteine ​​codificate che sono note per interagire con il sistema immunitario dell’ospite, come un inibitore della presentazione dell’antigene MHC di classe II28, una glicoproteina del recettore IFN-alfa/beta29 e un inibitore del segnale IL-1/TLR30 .

In sintesi, i nostri dati genomici e filogenomici forniscono informazioni sulla traiettoria evolutiva del ceppo epidemico MPXV del 2022 e fanno luce sui potenziali meccanismi e obiettivi dell’adattamento umano. L’evoluzione accelerata osservata di questo MPXV umano, potenzialmente guidata dall’azione APOBEC3, suggerisce che il sequenziamento del genoma virale potrebbe fornire una risoluzione sufficiente per tracciare la dinamica di trasmissione e la diffusione dell’epidemia, che sembrava essere una sfida per un virus del DNA a doppio filamento presumibilmente a evoluzione lenta . Insieme alla strategia adottata di condivisione dei dati in tempo reale, questo studio può aiutare a guidare nuove misure di controllo delle epidemie e le successive direzioni di ricerca.

link di riferimento: https://www.nature.com/articles/s41591-022-01907-y


Ulteriori informazioni:  Philip LF Johnson et al, Evolutionary conseguenze dell’intervento ritardato per il vaiolo delle scimmie,  The Lancet  (2022). DOI: 10.1016/S0140-6736(22)01789-5

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