Decoding COVID-19 / Decodifica COVID-19
Decoding COVID-19 / Decodifica COVID-19
Why do some people fall ill from SARS-CoV-2 while others infected with the virus experience no symptoms?Testing, testing
Testing for current or past SARS-CoV-2 infection is a cornerstone of understanding and controlling the spread of COVID-19, but testing capacity and reliability in the U.S. have not yet met the nation's needs. Researchers are trying to change that.
The lab of Stephen Elledge, the Gregor Mendel Professor of Genetics and of Medicine at HMS and Brigham and Women’s, has updated its comprehensive antibody-detection tool, VirScan, to flag past exposure to SARS-CoV-2 in blood samples and help immunologists and epidemiologists better gauge the virus's lethality, population exposure rates, and short- and long-term effects on the immune system. Elledge received MassCPR funding for these efforts.
The Church lab has joined nationwide efforts to build faster, cheaper, more accessible tests to diagnose COVID-19. So have the labs of Connie Cepko, the Bullard Professor of Genetics and Neuroscience at HMS, and Steven McCarroll, the Dorothy and Milton Flier Professor of Biomedical Science and Genetics at HMS.
Brian Rabe, a PhD candidate in biological and biomedical sciences in the Cepko lab, is adapting an existing assay to detect SARS-CoV-2 in patient samples in half an hour and without the need for specialized equipment or training. The work builds on Cepko's expertise in using viruses as research tools.
Rabe and colleagues are working on improvements such as stabilizing and deactivating viral particles in patient samples. If they can make the necessary changes, the researchers hope the test could eventually be deployed in doctor's offices and other health care facilities.
Meanwhile, research assistant in genetics Curtis Mello and other members of McCarroll's team have focused on a different technology—nanoliter droplets combined with digital PCR—to more precisely measure and characterize viral RNA in patient samples and thus provide more reliable COVID-19 diagnoses.
The method is designed to distinguish large viral RNA molecules, which are produced by live, replicating viruses, from fragmented viral RNA, which may be shed long after an active infection.
Current tests, by contrast, typically deliver a positive result if they detect any viral RNA, whether whole or broken. This could explain at least some of the cases where people test positive for COVID-19 even though their symptoms have faded, the researchers said.
In McCarroll's technique, individual patient samples get enclosed in microscopic droplets along with chemicals required for amplifying and detecting genetic material from the coronavirus. Tens of thousands of these droplets can be analyzed simultaneously.
Droplets are engineered to glow if they contain SARS-CoV-2 RNA. Those that contain long, intact pieces of RNA glow in multiple colors. Glowing droplets get counted digitally as they flow through a microfluidic device. Digital counting should provide more accurate results than traditional PCR (polymerase chain reaction), the standard method for amplifying genetic material, the researchers said.
The goals are to assist epidemiologists, help measure infectiousness at different points throughout illness and quickly detect active virus particles on surfaces so people can keep spaces safe for living and working.
Additional lab members working on the project are Nolan Kamitaki, research associate in genetics, and Heather de Rivera, researcher in natural science. The research is supported by the HMS Department of Genetics. from ancient-DNA research
What does the migration of groups of early humans out of Africa have to do with the spread of SARS-CoV-2 in 2020? Similar genome-analysis techniques are illuminating both.
As SARS-CoV-2 infects people and replicates, the individual viruses evolve, acquiring genetic mutations. Different sets of mutations begin to distinguish different lineages of the virus, which can be linked to different parts of the world. Tracking these mutations allows researchers to study how the virus is moving around.
Viruses sampled from a cluster of patients in Baton Rouge, for example, might share a unique genetic fingerprint, indicating local spread of SARS-CoV-2, while a patient in New York City might harbor a version of the virus almost identical to one circulating in Italy, suggesting that human travel contributed to infection.
The genetic sequencing and computational techniques used to follow the movement of SARS-CoV-2 lineages and tie them to specific locations resemble those used to reconstruct how groups of people tens of thousands of years ago were related to one another and how they moved around the globe based on DNA recovered from ancient human bones. That's no coincidence: Many of the tools used in ancient-DNA research were first developed for virology.
HMS geneticists accustomed to probing prehistory are now turning their talents to COVID-19.
"We're hoping to reinfuse into virology the expertise we've gained from studying ancient DNA," said postdoc Ringbauer, who is based in the lab of ancient-DNA specialist David Reich, professor of genetics at HMS. Reich also holds appointments at Harvard University and the Broad Institute of MIT and Harvard.
"There are already, of course, great scientists working on the new coronavirus," said Ringbauer. "We just hope we can contribute a little."
Ancient-DNA researchers have several skills to offer, such as familiarity with analyzing big data sets. When scientists studied Zika and Ebola virus strains in the last decade, they worked with a few hundred sequences, said Ringbauer. As of June 10, more than 42,000 genome sequences have been collected for SARS-CoV-2.
The virus replicates by cloning its RNA, creating identical copies of itself (except for any new mutations). Most human DNA, by contrast, replicates through recombination, the mixing of genetic material from two parents.
But ancient-DNA researchers also specialize in studying the two exceptions to this rule: Y chromosomes, which are passed from male parent to male offspring without recombining, and mitochondrial DNA, which is inherited wholesale from the mother.
Tracking similarities and differences in Y-chromosome and mitochondrial DNA, which evolve like viral RNA, have made it possible to narrow down the timing of out-of-Africa and other migrations and reconstruct maternal and paternal family trees across millennia, just as tracking viral RNA from patient to patient can reconstruct the SARS-CoV-2 family tree in real time.
When they've finished collecting and cleaning up the data, Ringbauer and Reich will analyze SARS-CoV-2 genomes with the goal of helping researchers answer many questions about the pandemic, including: How mobile is the virus? How many flames is it fanning with sparks that originated locally versus far away? Are most cases caused by a few super-spreaders, or do most people have a few interactions on average with those who've been infected?
And do any of the mutations change the virus's behavior, making it easier or harder to transmit or more or less likely to cause disease—essentially creating a new strain?
With answers that could inform public policy, the project was one of 62 proposals awarded funding in a first round of grants from the Massachusetts Consortium on Pathogen Readiness (MassCPR).
Why do some people develop neurological, cardiovascular or gastrointestinal symptoms while infection sticks to the respiratory system in others?
Since older age and underlying health conditions put people at greater risk of becoming seriously sick or dying from COVID-19, why do some young and otherwise healthy people barely survive the disease, while some elderly people with multiple risk factors weather it with only minor symptoms?
In addition to individual behavior, preexisting conditions and sheer luck, answers could lie in people's genes.
"We have an opportunity to see if there are gene variants that distinguish people who are more susceptible to the virus from those who are more resistant," said Ting Wu, professor of genetics at Harvard Medical School.
Geneticists, including many in the Blavatnik Institute at HMS, have joined scientists across disciplines to investigate critical questions like these as the COVID-19 pandemic engulfs the globe, infecting millions and killing hundreds of thousands.
They work day and night to understand the new coronavirus in the hope that their insights will help fellow researchers identify or design effective treatments, develop vaccines, track infections and prevent future illness and death.
While most on-campus research at HMS ramped down in March to safeguard community health, a handful of labs in the Department of Genetics secured permission to continue limited in-person operations for projects that could have immediate impact on the COVID-19 pandemic. Others have found ways to contribute from home.
"We're all trying to throw our expertise at this," said Jenny Yan, a biological and biomedical sciences PhD student at HMS specializing in genetics and genomics.
While some HMS geneticists scrutinize the human genome, others are analyzing the genome of the virus to track the spread of different lineages around the world and help determine whether any mutations affect the virus's potency.
Some are studying gene dynamics in cell cultures and animal models to uncover clues about how the body responds to the virus at the molecular level, whether that's granting entry to SARS-CoV-2 or sparking a cascade that leads to tissue and organ damage or runaway inflammation.
Still others are applying their knowledge of DNA- and RNA-based technologies to improve existing tests and develop new ones that can diagnose COVID-19 or detect evidence of past infection.
It's not clear which of these experiments will yield useful information, nor how quickly. In science, after all, failures outnumber successes, and discovery takes time.
What keeps the researchers going is the possibility of making discoveries or developing tools that identify weaknesses in the virus or strengths in the human body, inform public policy, protect human health today or help prevent future pandemics.
"The virus has caused so much suffering and economic downturn, we should shoot everything at it that we can," said Harald Ringbauer, HMS postdoctoral research fellow in genetics. "It's important right now to learn more about the virus and its behavior, and genetics has a huge potential to teach us these things."
In search of genetic outliers
Getting a complete picture of which genes, if any, affect human susceptibility to the new coronavirus will take a long time and the analysis of many thousands of people's genomes. In the meantime, Wu and colleagues are getting a jump start by using an existing resource, the Personal Genome Project (PGP), and by looking at the edge cases, the extremes.
"We're fishing for genetic outliers—those who are way out on the ends of the COVID-19 bell curve," said George Church, the Robert Winthrop Professor of Genetics at HMS and a founding core faculty member of the Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, whose lab is pursuing multiple endeavors related to the COVID-19 pandemic.
"We don't necessarily need to do a deep dive on 7 billion people to help us predict who's likelier to get sick or who's asymptomatic but shouldn't be exposed to other people because they're still shedding virus," he said.
Launched in 2005 in the Church lab and now spanning multiple countries, the PGP invites volunteers to share their health and genetic information for scientific research. The program currently includes more than 6,000 participants, about 500 of whom have uploaded their complete genome sequences. Church is one of them.
The team plans to fish for clues in self-reported data collected from participants, such as ZIP code, gender, race and ethnicity, health conditions and smoking and vaping behavior as well as details about any COVID-19 symptoms, test results and potential exposures to the virus. If individual participants stand out, the team can analyze any DNA they've submitted.
Wu also envisions recruiting more participants in COVID-19 hotspots to help uncover relevant gene variants, using survey results to prioritize participants for gene sequencing.
If the PGP team or other researchers do find variants that raise or lower risk of serious illness or death from COVID-19, it's possible that people could then be tested for those variants. That could in turn make it easier to determine who can most safely work on the front lines in certain industries and who should be more protected, said Wu, as well as who should take extra precautions in communities, such as people found to be at high risk of carrying and spreading the virus without experiencing symptoms themselves.
The PGP offers only one of many ways to probe the genetics of SARS-CoV-2 infection. It has its weaknesses—for one, the repository is smaller than other international genetic databases—but it has already received IRB approval and boasts an eager patient base.
"PGP is unique in its readiness," said Wu, who is also an associate faculty member of the Wyss. "This round may or may not generate any useful results, but it shows how well an existing program can be prepared to act on emerging needs—and how planning ahead can be helpful."
"With enough attention and funding, programs like this can be poised to respond to the next pandemic," she added.
Project team members are Sarah Wait Zaranek, Alexander Wait Zaranek, Ranjan Ahuja, Michael Chou, Jason Bobe, Preston Estep and Jeantine Lunshof.
Fly fishing
Viruses can't infect people unless some of our cells let them in. Certain proteins on cell surfaces grant entry to SARS-CoV-2, while others inside the cell get co-opted to help the virus replicate.
By uncovering each of the proteins at play, scientists provide new opportunities to find drugs that act on the proteins and make it harder for the virus to gain a foothold.
Researchers have identified major culprits, such as the ACE2 receptor and molecular scissors known as TMPRSS2, that roll out a welcome mat for the new coronavirus. Three HMS geneticists contributed to an international study in Nature Medicine in April detailing the activity of genes that make these proteins in cells lining the airways, blood vessels, heart, cornea and intestine.
The contributors were Deborah Hung, HMS professor of genetics at Massachusetts General Hospital; Christine Seidman, the Thomas W. Smith Professor of Medicine at HMS and Brigham and Women’s Hospital; and Jonathan Seidman, the Henrietta B. and Frederick H. Bugher Foundation Professor of Genetics at HMS.
But the list of genes and proteins may not yet be complete. Norbert Perrimon, the James Stillman Professor of Developmental Biology at HMS, hopes to add to it using genetic screens of fruit fly cells.
Why fly cells? For one thing, human and other mammalian genomes are complex; a single gene can make more than one protein, and a single protein can be made by more than one gene. Fly genomes are simpler, making it easier to flag the true actors involved in viral entry.
"We might identify proteins in the fly that have equivalents in humans but that would have been missed from mammalian studies," said Perrimon.
Many, but not all, basic biologic mechanisms discovered in flies also hold true for other organisms, including people. If Perrimon's team can generate a list of genes and proteins that seem to be related to SARS-CoV-2 entry in fly cells, researchers can compare it to lists generated from human and mammalian studies and use the overlaps to home in on the factors most likely to prove important.
The team needs to clear a few hurdles first, though. For instance, flies in the wild don't get COVID-19, so Perrimon and research fellow in genetics Raghuvir (Ram) Viswanatha must find out whether fly cells let in SARS-CoV-2 particles naturally. If not, the researchers will engineer the cells to express human ACE2 and TMPRSS2, and if that does the trick, they can then watch which additional genes kick into gear as the virus makes its way inside.
The idea isn't so farfetched. Flies don't get the flu, either, but the same technique has allowed scientists to use the insects to learn about how the influenza virus enters cells.
"If it works, we should get some interesting results," said Perrimon. "If not, well, that's the end of the project."
If the fly cells do grant entry to SARS-CoV-2 one way or the other, Viswanatha will use a platform he developed based on the gene editing tool CRISPR to swiftly identify all the genes that appear to be involved.
Viswanatha was using the platform earlier this year to uncover proteins that fly cells use to let in an insect pathogen when scientists announced that some of the same proteins might be involved in SARS-CoV-2 infection.
Although the researchers aren't sure their experiment will pan out, they have enough confidence to believe it's worth a try.
"If we could find new factors involved in the entry of the virus that lead to a complete 'parts list,' that would be a good achievement," said Perrimon. "We would be happy."
Chasing an RNA tail
When Jenny Yan and colleagues began studying RNA—molecules that translate DNA’s instructions into proteins—in Caenorhabditis elegans worms, she didn't expect that the team's findings might become relevant to a global pandemic.
"We're a very basic science lab," said Yan, a research assistant in the lab of Scott Kennedy, the Philip and Aya Leder Professor of Genetics at HMS. "We're interested in things like gene expression and worm biology."
Many RNAs end in a string of repeating adenine bases: a so-called poly(A) tail. In May in the journal Nature, Kennedy's group reported that they found a previously unknown type of RNA with a repeating uracil and guanine tail in C. elegans. The researchers dubbed them poly(UG) or pUG RNAs.
Both pUG and poly(A) tails allow RNAs to recruit other proteins that perform important jobs, such as RNA polymerase, which makes copies of RNA molecules.
The week the researchers posted their manuscript on a preprint server in Dec. 2019, the first case of what is now known as COVID-19 was reported in China. It soon became clear that SARS-CoV-2 belongs to a family of viruses with genomes made of RNA rather than DNA.
Countless groups jumped to apply knowledge of RNA to combat the new threat. Kennedy wondered if his team could contribute.
A few researchers in the lab are now trying to find out: Does the coronavirus contain pUG RNAs? If so, what does it use them for? And can they then become a treatment target?
The team has detected a few promising signs so far, but the work has only just begun, and it's not yet clear whether the initial signals are real.
"It's enough to be motivating, but we're not convinced yet," said Yan. "It's still very preliminary. We have some hints we need to verify."
If SARS-CoV-2 does use pUG RNAs to recruit RNA polymerase, scientists could then try to disrupt the signals that attach the tail or recruit the enzyme so the virus can't replicate.
If the virus contains pUG RNAs but they don't behave the same way as in worms, Kennedy and colleagues have a few other guesses as to what the molecules might be doing and how those might suggest antiviral strategies.
And if the researchers don't detect any pUG RNAs, the lab will likely return its full attention to the work it was pursuing pre-pandemic—unless new inspiration strikes.
"That's the beautiful thing about research; you don't know where a project will take you," said Yan.
ITALIANO
Perché alcune persone si ammalano di SARS-CoV-2 mentre altre infettate dal virus non presentano sintomi?
Test, test
Il test per l'infezione SARS-CoV-2 attuale o passata è una pietra angolare della comprensione e del controllo della diffusione di COVID-19, ma la capacità di test e l'affidabilità negli Stati Uniti non hanno ancora soddisfatto i bisogni della nazione. I ricercatori stanno cercando di cambiarlo.
Il laboratorio di Stephen Elledge, il professore di genetica e medicina di Gregor Mendel presso HMS e Brigham and Women's, ha aggiornato il suo strumento completo di rilevazione di anticorpi, VirScan, per contrassegnare l'esposizione passata a SARS-CoV-2 in campioni di sangue e aiutare gli immunologi e gli epidemiologi misurano meglio la mortalità del virus, i tassi di esposizione della popolazione e gli effetti a breve e lungo termine sul sistema immunitario. Elledge ha ricevuto finanziamenti da MassCPR per questi sforzi.
Il laboratorio di Church si è unito agli sforzi a livello nazionale per costruire test più rapidi, economici ed accessibili per diagnosticare COVID-19. Così hanno lacorato i laboratori di Connie Cepko, la professoressa Bullard di genetica e neuroscienza presso la HMS, e Steven McCarroll, la professoressa Dorothy e Milton Flier di scienze biomediche e genetica della HMS.
Brian Rabe, dottorando in scienze biologiche e biomediche nel laboratorio Cepko, sta adattando un test esistente per rilevare SARS-CoV-2 nei campioni dei pazienti in mezz'ora e senza la necessità di attrezzature specializzate o necessitè di formazione. Il lavoro si basa sull'esperienza di Cepko nell'uso dei virus come strumenti di ricerca.
Rabe e colleghi stanno lavorando su miglioramenti come la stabilizzazione e la disattivazione delle particelle virali nei campioni dei pazienti. Se riescono ad apportare le modifiche necessarie, i ricercatori sperano che il test possa eventualmente essere implementato negli studi medici e in altre strutture sanitarie.
Nel frattempo, l'assistente di ricerca in genetica Curtis Mello e altri membri del team di McCarroll si sono concentrati su una tecnologia diversa - goccioline di nanolitro combinate con PCR digitale - per misurare e caratterizzare con maggiore precisione l'RNA virale nei campioni dei pazienti e quindi fornire diagnosi COVID-19 più affidabili.
Il metodo è progettato per distinguere grandi molecole di RNA virale, che sono prodotte da virus vivi e replicanti, dall'RNA virale frammentato, che può essere rilasciato molto tempo dopo un'infezione attiva.
I test attuali, al contrario, in genere forniscono un risultato positivo se rilevano un RNA virale, intero o rotto. Questo potrebbe spiegare almeno alcuni dei casi in cui le persone risultano positive al test COVID-19 anche se i loro sintomi sono sbiaditi, hanno detto i ricercatori.
Nella tecnica di McCarroll, i singoli campioni di pazienti vengono racchiusi in goccioline microscopiche insieme a sostanze chimiche necessarie per amplificare e rilevare materiale genetico dal coronavirus. Decine di migliaia di queste goccioline possono essere analizzate contemporaneamente.
Le goccioline sono progettate per illuminarsi se contengono SARS-CoV-2 RNA. Quelli che contengono pezzi lunghi e intatti di RNA si illuminano in più colori. Le goccioline incandescenti vengono contate digitalmente mentre fluiscono attraverso un dispositivo microfluidico. Il conteggio digitale dovrebbe fornire risultati più accurati rispetto alla tradizionale PCR (reazione a catena della polimerasi), il metodo standard per amplificare il materiale genetico, hanno detto i ricercatori.
Gli obiettivi sono aiutare gli epidemiologi, aiutare a misurare l'infettività in diversi punti della malattia e rilevare rapidamente le particelle di virus attivi sulle superfici in modo che le persone possano mantenere gli spazi sicuri per vivere e lavorare.
Altri membri del laboratorio che lavorano al progetto sono Nolan Kamitaki, ricercatore associato in genetica, e Heather de Rivera, ricercatrice di scienze naturali. La ricerca è supportata dal Dipartimento di genetica di HMS. dalla ricerca sul DNA antico
Che cosa ha a che fare la migrazione di gruppi di primi umani fuori dall'Africa con la diffusione della SARS-CoV-2 nel 2020? Tecniche di analisi del genoma simili stanno illuminando entrambi.
Man mano che SARS-CoV-2 infetta le persone e si replica, i singoli virus si evolvono, acquisendo mutazioni genetiche. Diversi gruppi di mutazioni iniziano a distinguere diversi lignaggi del virus, che possono essere collegati a diverse parti del mondo. Il monitoraggio di queste mutazioni consente ai ricercatori di studiare come si sta muovendo il virus.
I virus campionati da un gruppo di pazienti a Baton Rouge, ad esempio, potrebbero condividere un'impronta genetica unica, indicando la diffusione locale di SARS-CoV-2, mentre un paziente a New York City potrebbe ospitare una versione del virus quasi identica a quella circolante in Italia, suggerendo che il viaggio umano ha contribuito all'infezione.
Il sequenziamento genetico e le tecniche computazionali utilizzate per seguire il movimento dei lignaggi SARS-CoV-2 e legarli a posizioni specifiche assomigliano a quelle utilizzate per ricostruire il modo in cui gruppi di persone decine di migliaia di anni fa erano collegati tra loro e come si muovevano intorno globo basato sul DNA recuperato da antiche ossa umane. Non è una coincidenza: molti degli strumenti utilizzati nella ricerca sul DNA antico sono stati inizialmente sviluppati per la virologia.
I genetisti HMS abituati a sondare la preistoria stanno ora trasformando i loro talenti in COVID-19
."Speriamo di reinfondere nella virologia l'esperienza che abbiamo acquisito dallo studio del DNA antico", ha dichiarato Postba Ringbauer, che ha sede nel laboratorio dello specialista del DNA antico David Reich, professore di genetica alla HMS. Reich ha anche incarichi presso l'Università di Harvard e il Broad Institute of MIT e Harvard.
"Esistono già, ovviamente, grandi scienziati che lavorano sul nuovo coronavirus", ha dichiarato Ringbauer. "Speriamo solo di poter contribuire un po '."
I ricercatori del DNA antico hanno diverse competenze da offrire, come la familiarità con l'analisi dei set di big data. Quando gli scienziati hanno studiato i ceppi del virus Zika ed Ebola nell'ultimo decennio, hanno lavorato con alcune centinaia di sequenze, ha detto Ringbauer. A partire dal 10 giugno, sono state raccolte oltre 42.000 sequenze di genomi per SARS-CoV-2.
Il virus si replica clonando il suo RNA, creando copie identiche di se stesso (ad eccezione di eventuali nuove mutazioni). La maggior parte del DNA umano, al contrario, si replica attraverso la ricombinazione, la miscelazione di materiale genetico da due genitori.
Ma i ricercatori del DNA antico sono anche specializzati nello studio delle due eccezioni a questa regola: i cromosomi Y, che sono passati da genitore maschio a progenie maschile senza ricombinazione, e il DNA mitocondriale, che è ereditato all'ingrosso dalla madre.
Tracciare somiglianze e differenze nel cromosoma Y e nel DNA mitocondriale, che si evolvono come l'RNA virale, ha permesso di restringere i tempi delle migrazioni al di fuori dell'Africa e di altre specie e di ricostruire alberi genealogici materni e paterni attraverso i millenni, proprio come il monitoraggio dei virus L'RNA da paziente a paziente può ricostruire l'albero genealogico SARS-CoV-2 in tempo reale.
Una volta terminata la raccolta e la pulizia dei dati, Ringbauer e Reich analizzeranno i genomi SARS-CoV-2 con l'obiettivo di aiutare i ricercatori a rispondere a molte domande sulla pandemia, tra cui: Quanto è mobile il virus? Quante fiamme si sta alimentando con scintille che hanno avuto origine localmente rispetto a molto lontano? La maggior parte dei casi è causata da alcuni super-spargitori o la maggior parte delle persone ha in media alcune interazioni con coloro che sono stati infettati?
E una qualsiasi delle mutazioni modifica il comportamento del virus, rendendo più facile o più difficile la trasmissione o più o meno probabile che causi la malattia, creando essenzialmente un nuovo ceppo?
Con risposte in grado di informare le politiche pubbliche, il progetto è stato una delle 62 proposte a cui è stato assegnato un finanziamento in una prima serie di sovvenzioni da parte del Massachusetts Consortium on Pathogen Readiness (MassCPR).
Perché alcune persone sviluppano sintomi neurologici, cardiovascolari o gastrointestinali mentre l'infezione si attacca al sistema respiratorio in altri?
Poiché l'età avanzata e le condizioni di salute sottostanti mettono le persone a maggior rischio di ammalarsi gravemente o morire di COVID-19, perché alcune persone giovani e altrimenti in buona salute sopravvivono a malapena alla malattia, mentre alcune persone anziane con molteplici fattori di rischio lo affrontano con solo lievi sintomi ?
Oltre al comportamento individuale, alle condizioni preesistenti e alla pura fortuna, le risposte potrebbero risiedere nei geni delle persone.
"Abbiamo l'opportunità di vedere se esistono varianti genetiche che distinguono le persone più sensibili al virus da quelle più resistenti", ha affermato Ting Wu, professore di genetica alla Harvard Medical School.
I genetisti, compresi molti nell'Istituto Blavatnik dell'HMS, si sono uniti agli scienziati di tutte le discipline per indagare su questioni critiche come queste mentre la pandemia di COVID-19 avvolge il globo, infettando milioni e uccidendo centinaia di migliaia.
Lavorano giorno e notte per comprendere il nuovo coronavirus nella speranza che le loro intuizioni aiuteranno i colleghi ricercatori a identificare o progettare trattamenti efficaci, sviluppare vaccini, tenere traccia delle infezioni e prevenire malattie e decessi futuri.
Mentre la maggior parte delle ricerche all'interno del campus presso l'HMS sono precipitate a marzo per salvaguardare la salute della comunità, una manciata di laboratori del Dipartimento di Genetica ha ottenuto l'autorizzazione a continuare le operazioni di persona limitate per progetti che potrebbero avere un impatto immediato sulla pandemia di COVID-19. Altri hanno trovato il modo di contribuire da casa.
"Stiamo tutti cercando di mettere le nostre competenze al riguardo", ha affermato Jenny Yan, studentessa di dottorato in scienze biologiche e biomediche presso la HMS, specializzata in genetica e genomica.
Mentre alcuni genetisti HMS esaminano il genoma umano, altri stanno analizzando il genoma del virus per tracciare la diffusione di diversi lignaggi in tutto il mondo e aiutare a determinare se eventuali mutazioni influenzano la potenza del virus.
Alcuni stanno studiando le dinamiche geniche nelle colture cellulari e nei modelli animali per scoprire indizi su come il corpo risponde al virus a livello molecolare, sia che stia concedendo l'ingresso a SARS-CoV-2 o che scateni una cascata che porta a danni ai tessuti e agli organi o alla fuga con infiammazione.
Altri ancora stanno applicando la loro conoscenza delle tecnologie basate su DNA e RNA per migliorare i test esistenti e svilupparne di nuovi in grado di diagnosticare COVID-19 o rilevare prove di infezione passata.
Non è chiaro quale di questi esperimenti fornirà informazioni utili, né quanto velocemente. Nella scienza, dopo tutto, i fallimenti superano i successi e la scoperta richiede tempo.
Ciò che fa andare avanti i ricercatori è la possibilità di fare scoperte o sviluppare strumenti che identificano le debolezze del virus o i punti di forza nel corpo umano, informano le politiche pubbliche, proteggono la salute umana oggi o aiutano a prevenire future pandemie.
"Il virus ha causato tanta sofferenza e recessione economica, dovremmo sparare a tutto ciò che possiamo", ha dichiarato Harald Ringbauer, ricercatore di ricerca post-dottorato HMS in genetica. "Al momento è importante conoscere meglio il virus e il suo comportamento e la genetica ha un enorme potenziale per insegnarci queste cose".
Alla ricerca di valori anomali genetici
Ottenere un quadro completo di quali geni, se presenti, influenzano la suscettibilità umana al nuovo coronavirus richiederà molto tempo e l'analisi di molte migliaia di genomi delle persone. Nel frattempo, Wu e i suoi colleghi stanno iniziando a fare un salto utilizzando una risorsa esistente, il Personal Genome Project (PGP) e osservando i casi limite, gli estremi.
"Stiamo pescando valori anomali genetici, quelli che sono alle estremità della curva a campana COVID-19", ha affermato George Church, il professore di genetica di Robert Winthrop presso l'HMS e un membro fondatore della facoltà del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, il cui laboratorio sta perseguendo molteplici attività legate alla pandemia di COVID-19.
"Non abbiamo necessariamente bisogno di fare un tuffo profondo su 7 miliardi di persone per aiutarci a prevedere chi è più propenso a ammalarsi o chi è asintomatico ma non dovrebbe essere esposto ad altre persone perché stanno ancora diffondendo virus", ha detto.
Lanciato nel 2005 nel laboratorio di Churxh e ora presente in più paesi, il PGP invita i volontari a condividere le loro informazioni sanitarie e genetiche per la ricerca scientifica. Il programma attualmente comprende oltre 6.000 partecipanti, circa 500 dei quali hanno caricato le loro sequenze complete del genoma. Quella di Cha è una di queste.
Il gruppo ha in programma di cercare indizi sui dati auto-segnalati raccolti dai partecipanti, come codice di avviamento postale, genere, razza ed etnia, condizioni di salute e comportamento di fumo e vaping, nonché dettagli su eventuali sintomi COVID-19, risultati dei test e potenziali esposizioni al virus. Se i singoli partecipanti si distinguono, il gruppo può analizzare qualsiasi DNA che hanno inviato.
Wu prevede inoltre di reclutare un maggior numero di partecipanti agli hotspot COVID-19 per aiutare a scoprire varianti genetiche rilevanti, usando i risultati del sondaggio per dare la priorità ai partecipanti per il sequenziamento genico.
Se il gruppo PGP o altri ricercatori trovano varianti che aumentano o riducono il rischio di malattie gravi o morte per COVID-19, è possibile che le persone possano essere testate per quelle varianti. Ciò a sua volta potrebbe rendere più semplice determinare chi può lavorare in sicurezza in prima linea in determinati settori e chi dovrebbe essere più protetto, ha affermato Wu, oltre a chi dovrebbe prendere ulteriori precauzioni nelle comunità, come le persone che si trovano ad alto livello di rischio di trasportare e diffondere il virus senza manifestare i sintomi stessi.
Il PGP offre solo uno dei molti modi per sondare la genetica dell'infezione da SARS-CoV-2. Ha i suoi punti deboli - per esempio, il repository è più piccolo di altri database genetici internazionali - ma ha già ricevuto l'approvazione IRB e vanta una base di pazienti desiderosa.
"PGP è unico nella sua prontezza", ha affermato Wu, che è anche un membro di facoltà associato della Wyss. "Questo round può o meno generare risultati utili, ma mostra quanto bene un programma esistente può essere preparato per agire sulle esigenze emergenti e in che modo pianificare in anticipo può essere utile."
"Con sufficiente attenzione e finanziamenti, programmi come questo possono essere pronti a rispondere alla prossima pandemia", ha aggiunto.
I membri del gruppo di progetto sono Sarah Wait Zaranek, Alexander Wait Zaranek, Ranjan Ahuja, Michael Chou, Jason Bobe, Preston Estep e Jeantine Lunshof.
Mosche volanti
I virus non possono infettare le persone a meno che alcune delle nostre cellule non le lascino entrare. Alcune proteine sulla superficie cellulare consentono l'ingresso a SARS-CoV-2, mentre altre all'interno della cellula vengono cooptate per aiutare la replicazione del virus.
Scoprendo ciascuna delle proteine in gioco, gli scienziati offrono nuove opportunità per trovare farmaci che agiscono sulle proteine e rendere più difficile per il virus ottenere un punto d'appoggio.
I ricercatori hanno identificato i principali colpevoli, come il recettore ACE2 e le forbici molecolari conosciute come TMPRSS2, che stendono un tappetino di benvenuto per il nuovo coronavirus. Tre genetisti HMS hanno contribuito ad uno studio internazionale in medicina naturale ad aprile, descrivendo in dettaglio l'attività dei geni che producono queste proteine nelle cellule che rivestono le vie aeree, i vasi sanguigni, il cuore, la cornea e l'intestino.
I partecipanti sono stati Deborah Hung, professore di genetica HMS presso il Massachusetts General Hospital; Christine Seidman, Thomas W. Smith professore di medicina all'HMS e all'ospedale di Brigham and Women; e Jonathan Seidman, Henrietta B. e Frederick H. Bugher Foundation Professor of Genetics presso HMS.
Ma l'elenco di geni e proteine potrebbe non essere ancora completo. Norbert Perrimon, professore di biologia dello sviluppo di James Stillman presso l'HMS, spera di aggiungerlo usando schermi genetici di cellule della mosca della frutta.
Perchè le cellule delle mosche? Per prima cosa, i genomi umani e di altri mammiferi sono complessi; un singolo gene può produrre più di una proteina e una singola proteina può essere prodotta da più di un gene. I genomi delle mosche sono più semplici, rendendo più semplice la segnalazione dei veri attori coinvolti nell'ingresso virale.
"Potremmo identificare al volo proteine che hanno equivalenti nell'uomo ma che ci sarebbero sfuggite negli studi sui mammiferi", ha detto Perrimon.
Molti, ma non tutti, i meccanismi biologici di base scoperti nelle mosche valgono anche per altri organismi, comprese le persone. Se il gruppo di Perrimon è in grado di generare un elenco di geni e proteine che sembrano essere correlati alla voce SARS-CoV-2 nelle mosche volanti, i ricercatori possono confrontarlo con elenchi generati da studi sull'uomo e sui mammiferi e utilizzare le sovrapposizioni per adattarsi ai fattori più probabilmente si rivelerà importante.
Tuttavia, il gruppo deve prima superare alcuni ostacoli. Ad esempio, le mosche in natura non ricevono COVID-19, quindi Perrimon e il ricercatore di genetica Raghuvir (Ram) Viswanatha devono scoprire se le cellule delle mosche volanti lasciano entrare naturalmente le particelle SARS-CoV-2. Altrimenti, i ricercatori ingegnerizzeranno le cellule per esprimere ACE2 e TMPRSS2 umani, e in tal caso, potranno quindi controllare quali geni aggiuntivi entrano in marcia mentre il virus si fa strada all'interno.
L'idea non è così inverosimile. Neanche le mosche ottengono l'influenza, ma la stessa tecnica ha permesso agli scienziati di usare gli insetti per scoprire come il virus dell'influenza entra nelle cellule.
"Se funziona, dovremmo ottenere alcuni risultati interessanti", ha detto Perrimon. "In caso contrario, beh, questa è la fine del progetto."
Se le cellule delle mosche volanti concedono l'accesso alla SARS-CoV-2 in un modo o nell'altro, Viswanatha utilizzerà una piattaforma che ha sviluppato in base allo strumento di editing genetico CRISPR per identificare rapidamente tutti i geni che sembrano essere coinvolti.
Viswanatha stava usando la piattaforma all'inizio di quest'anno per scoprire le proteine che le cellule delle mosche volanti usano per far entrare un patogeno per insetti quando gli scienziati hanno annunciato che alcune delle stesse proteine potrebbero essere coinvolte nell'infezione SARS-CoV-2.
Sebbene i ricercatori non siano sicuri che il loro esperimento finirà, hanno abbastanza fiducia per credere che valga la pena provare.
"Se potessimo trovare nuovi fattori coinvolti nell'ingresso del virus che porteranno a un"elenco delle parti "completo, sarebbe un buon risultato", ha affermato Perrimon. "Saremmo felici."
Inseguendo una coda di RNA
Quando Jenny Yan e colleghi hanno iniziato a studiare l'RNA - molecole che traducono le proteine del DNA in proteine - nei vermi di Caenorhabditis elegans, non si aspettava che i risultati del gruppo potessero diventare rilevanti per una pandemia globale.
"Siamo un laboratorio scientifico di base", ha dichiarato Yan, assistente di ricerca nel laboratorio di Scott Kennedy, Philip e Aya Leder, professore di genetica all'HMS. "Siamo interessati a cose come l'espressione genica e la biologia dei vermi."
Molti RNA finiscono in una serie di basi adeniniche ripetute: una cosiddetta coda poli (A). A maggio sulla rivista Nature, il gruppo di Kennedy ha riferito di aver trovato un tipo di RNA precedentemente sconosciuto con un uracile e una coda di guanina ripetuti in C. elegans. I ricercatori li hanno soprannominati RNA poli (UG) o PUG.
Entrambe le code pUG e poli (A) consentono agli RNA di reclutare altre proteine che svolgono lavori importanti, come l'RNA polimerasi, che crea copie delle molecole di RNA.
La settimana in cui i ricercatori hanno pubblicato il loro manoscritto su un server di prestampa nel dicembre 2019, il primo caso di quello che ora è noto come COVID-19 è stato riportato in Cina. È diventato presto chiaro che SARS-CoV-2 appartiene a una famiglia di virus con genomi fatti di RNA piuttosto che di DNA.
Innumerevoli gruppi sono saltati per applicare la conoscenza dell'RNA per combattere la nuova minaccia. Kennedy si chiedeva se il suo gruppo potesse contribuire.
Alcuni ricercatori in laboratorio stanno ora cercando di scoprire: il coronavirus contiene RNA di PUG? In tal caso, per cosa li usa? E possono quindi diventare un obiettivo terapeutico?
Finora il gruppo ha rilevato alcuni segnali promettenti, ma il lavoro è appena iniziato e non è ancora chiaro se i segnali iniziali siano reali.
"È sufficiente essere motivanti, ma non siamo ancora convinti", ha detto Yan. "È ancora molto preliminare. Abbiamo alcuni suggerimenti che dobbiamo verificare."
Se SARS-CoV-2 utilizza RNA di PUG per reclutare RNA polimerasi, gli scienziati potrebbero quindi provare a interrompere i segnali che attaccano la coda o reclutare l'enzima in modo che il virus non possa replicarsi.
Se il virus contiene RNA di PUG ma non si comportano allo stesso modo dei worm, Kennedy e colleghi hanno qualche altra ipotesi su cosa potrebbero fare le molecole e su come potrebbero suggerire strategie antivirali.
E se i ricercatori non rilevano alcun RNA di PUG, il laboratorio probabilmente restituirà tutta la sua attenzione al lavoro che stava perseguendo prima della pandemia, a meno che non si verifichino nuove ispirazioni.
"Questa è la cosa bella della ricerca; non sai dove ti porterà un progetto", ha detto Yan.
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