Phylogenetic characteristics and analysis of the antigenic epitopes of Russian rotaviruses in comparison with vaccine strains

T. A. Sashina; Сашина Т. А.; O. V. Morozova; Морозова О. В.; E. I. Velikzhanina; Великжанина Е. И.; N. V. Epifanova; Епифанова Н. В.; N. A. Novikova; Новикова Н. А.

doi:10.15789/2220-7619-PCA-17805

Phylogenetic characteristics and analysis of the antigenic epitopes of Russian rotaviruses in comparison with vaccine strains

Authors: Sashina T.A.¹, Morozova O.V.¹, Velikzhanina E.I.¹, Epifanova N.V.¹, Novikova N.A.¹
Affiliations:
1. Academician I.N. Blokhina Nizhny Novgorod Scientific Research Institute of Epidemiology and Microbiology
Issue: Vol 15, No 2 (2025)
Pages: 258-270
Section: ORIGINAL ARTICLES
Submitted: 02.11.2024
Accepted: 24.12.2024
Published: 08.07.2025
URL: https://iimmun.ru/iimm/article/view/17805
DOI: https://doi.org/10.15789/2220-7619-PCA-17805
ID: 17805

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Accumulation of mutations in the amino acid sequence of immunologically significant regions of the outer capsid proteins in locally circulating rotaviruses may reduce the effectiveness of vaccine-generated protection. The aim of the work was to comparatively analyze Russian rotaviruses and strains of the Indian pentavalent vaccine approved for use in the Russian Federation in 2020.

Materials and methods. There were used 38 rotavirus-positive samples derived from children with acute intestinal infection identified in 2022–2023. cDNA fragments of the VP7 gene 877 bp long were sequenced by two strands using “Nanofor 05” device. Phylogenetic analysis was performed using BEAST software package. The final sample included 161 VP7 gene sequences of RVA isolates from three Russian cities (Nizhny Novgorod, Moscow, Novosibirsk), other countries, and vaccine strains.

Results. Based on the results of phylogenetic analysis, Russian rotaviruses were found to belong to 13 lineages and/or sublineages (G1-I-A, G1-II-C, G2-IVa-1, G2-IV-3, G3-I, G3-3-а, G3-3-е, G4-I-с, G6-I, G8-IV, G9-III-d, G9-VI-е, G12-III). Vaccine strains (D, WI79-9, A41CB052A, DS-1, SC2–9, P, WI78-8, ST3, BrB-9, WI79-4, AU-32, 116E) were grouped separately in each case (G1-III, G1-II-A, G2-I, G2-II, G3-3-d, G4-I-а, G6-IV, G9-I, G9-II). Comparative analysis in the regions of antigenic epitopes targeted by neutralizing antibodies showed 3 to 6 amino acid differences between Russian and homotypic vaccine strains. The highest number was observed in isolates of sublineages G1-I-A, G2-IVa-1 and lineage G3-I. In the regions of T-cell epitopes, 1 to 4 substitutions were found. The greatest number of differences had rotaviruses of the G3-I lineage and the G4-I-c sublineage.

Conclusion. For the G3P[8] variant of the G3-I lineage, which is widespread in Russia, 6 substitutions in neutralizing epitopes and 4 substitutions in T-cell epitopes were found in comparison with homotypic vaccine strains. The study results are important for understanding a potential impact of vaccines on the antigenic structure of the rotavirus population in Russia.

Keywords

rotaviruses, antigenic epitopes, amino acid substitutions, rotavirus vaccines, phylogenetic analysis, rotavirus lineages, rotavirus sublineages

Full Text

Введение

Ротавирусы А (РВА, вид Rotavirus A, род Rotavirus, сем. Sedoreoviridae) вызывают острый гастроэнтерит у детей младше 5 лет и являются актуальной проблемой здравоохранения во всем мире. По оценкам, полученным в Глобальном Исследовании Бремени Болезней в 2016 г. (Global Burden of Disease Study 2016), после начала применения вакцин, они стали причиной 258 млн случаев гастроэнтерита, 1 537 000 госпитализаций и 128 500 смертей среди детей до 5 лет, при этом 104 733 из них — в Центральной Африке [65]. В России ротавирусы ежегодно вызывают зимне-весенний подъем заболеваемости острым гастроэнтеритом. В 2023 г. ротавирусная инфекция (РВИ) составила почти половину случаев острой кишечной инфекции (ОКИ) установленной этиологии (44,62%), при этом показатель заболеваемости РВИ составил 59,6 на 100 тыс. населения и оставался несколько ниже среднемноголетнего уровня (74,95) [3], что отражает мировую тенденцию, связанную с ограничениями во время пандемии Covid-19 [17].

Вирионы ротавирусов представляют собой безоболочечные трехслойные частицы размером около 100 нм. Геном состоит из 11 сегментов днРНК и окружен белком сердцевины VP2, который в свою очередь заключен во внутренний капсид из белка VP6. Наружный слой формируют белки VP4 и VP7 [30]. Гены, кодирующие белки наружного капсида, лежат в основе бинарной классификации ротавирусов с использованием G- и P-генотипов. Обнаружено более 70 комбинаций генотипов, однако в мире чаще всего встречаются G1P[8], G2P[4], G3P[8], G4P[8], G9P[8] и G12P[8] [10].

Учитывая широкую распространенность и актуальность РВИ в мире, специалисты ВОЗ рекомендовали для глобального применения четыре живые ротавирусные вакцины. Более 110 стран ввели их в национальные программы иммунизации. С 2006 г. широко используются моновалентная вакцина (RV1, Бельгия), содержащая штамм генотипа G1P[8], выделенный от ребенка, и пентавалентная вакцина (RV5, США), в состав которой входят реассортантные штаммы, полученные от вирусов человека и крупного рогатого скота и имеющие генотипы G1, G2, G3, G4 и P[8] (табл. 1). Несколько позднее, в 2018 г., были одобрены для применения еще две вакцины, разработанные в Индии: моновалентная и пентавалентная. Моновалентная вакцина основана на природном реассортантном штамме 116E генотипа G9P[11], выделенном от новорожденных с бессимптомной инфекцией. Пентавалентная вакцина содержит реассортанты, полученные от ротавируса крупного рогатого скота и ротавирусов человека с генотипами G1, G2, G3, G4 и G9 [18].

Таблица 1. Характеристика вакцинных штаммов ротавируса

Table 1. Characteristics of rotavirus vaccine strains

Вакцина Vaccine	Название вакцинного/ исходного штамма Name of vaccine/original strain	Генотип вакцинного штамма Vaccine strain genotype	Год выделения исходного штамма Year of original strain isolation	Номер GenBank GenBank number	Ссылка Reference
Моновалентная, RV1 (Бельгия) Monovalent, RV1 (Belgium)	A41CB052A	G1P[8]	1988	JN849114	[72]
Моновалентная (Индия) Monovalent (India)	116E	G9P[11]	1985	L14072	[32]
Пятивалентная, RV5 (США) Pentavalent, RV5 (USA)	WI79-9	G1P[5]	1983	GU565057	[45]
	SC2–9	G2P[5]	1981	GU565068
	WI78-8	G3P[5]	1983	GU565079
	BrB-9	G4P[5]	1984	GU565090
	WI79-4	G6P[8]	1983	GU565046
Пятивалентная (Индия) Pentavalent (India)	D	G1P[5]	1974	AB118022	[69]
	DS-1	G2P[5]	1976	AB118023
	P	G3P[5]	1974	AB118024
	ST3	G4P[5]	1975	EF672616
	AU-32	G9P[5]	1985	AB045372

К 2019 г. применение вакцин позволило существенно снизить заболеваемость и смертность от ротавирусной инфекции в мире [16, 35]. По оценкам специалистов Центров по контролю и профилактике заболеваний США (CDC), вакцинация способствовала сокращению числа смертей на 36% [15]. Ежегодно они помогают предотвратить около 751 609 госпитализаций [35]. На территории России с 2012 и 2020 г. соответственно разрешены для применения две пентавалентные вакцины. Однако охват вакцинацией детского населения в целом по стране в 2022 и 2023 гг. оставался крайне низким (7,15 и 12,07% соответственно) и не оказывал влияние на проявления эпидемического процесса РВИ [3].

Ротавирусы характеризуются большим генетическим и антигенным разнообразием. Они реализуют молекулярные механизмы генерации новых вариантов, что позволяет им уходить от иммунного ответа хозяина — как естественного, так и сформированного вакциной. Эти механизмы включают быстрое возникновение новых вариантов посредством реассортации и заимствования генов от ротавирусов животных (антигенный шифт), и постепенное накопление точечных мутаций в иммунологически важных областях (антигенный дрейф) [30]. Основными белками, которые распознаются нейтрализующими антителами и вирус-специфическими Т-лимфоцитами, считаются компоненты наружного капсида VP4 и VP7 [67, 72]. Различия между локально циркулирующим ротавирусами и вакцинными штаммами в антигенных эпитопах на поверхности этих белков могут влиять на эффективность действия вакцин. Тример VP7 на два антигенных эпитопа для нейтрализующих антител: 7-1 и 7-2. Эпитоп 7-1 охватывает область на границе двух субъединиц и поэтому разделен на участки 7-1a и 7-1b [9]. В N-концевом участке белка VP7 обнаружены две области, распознаваемые Т-клетками [36, 68].

В предыдущих исследованиях были охарактеризованы различия российских РВА и компонентов одной пентавалентной (RV5, США) и двух моновалентных вакцин (Бельгия, Индия) в иммунологически значимых областях белков ротавируса [2, 48, 49]. Настоящая работа является продолжением этих исследований и посвящена сравнительному анализу гена и белка VP7 российских штаммов и компонентов пентавалентной вакцины (Индия), одобренной для применения в России в 2020 г.

Материалы и методы

В работе использовали 38 ротавирус-положительных образцов фекалий детей, госпитализированных в инфекционный стационар Нижнего Новгорода с диагнозом ОКИ в период с июля 2022 г. по июнь 2023 г. Для них амплифицировали фрагменты кДНК гена VP7 длиной 877 п.н. по методике, опубликованной ранее [59]. Полученные фрагменты очищали с помощью коммерческого набора для выделения ДНК из геля (ООО «Фрактал Био», Россия) и секвенировали на приборе «Нанофор 05» (ООО «Синтол», Россия) по двум цепям с использованием набора для секвенирования BigDye Terminator v3.1 (Thermo Fisher Scientific, США).

Из базы данных GenBank отобрали нуклеотидные последовательности гена VP7 49 ротавирусов, циркулировавших в Нижнем Новгороде в 2016–2022 гг., и 35 ротавирусов, выделенных в Москве и Новосибирске в 2017–2020 гг. Также в анализ взяли нуклеотидные последовательности РВА из других стран и вакцинных штаммов или тех, что послужили для них основой (табл. 1). Всего в выборку вошла 161 нуклеотидная последовательность.

Нуклеотидные и аминокислотные последовательности гена VP7 выравнивали в программе MEGA X. Процент сходства нуклеотидных последовательностей между штаммами рассчитывали с использованием метода p-дистанций. Филогенетический анализ проводили в BEAUTi 1.8.2 и BEAST 1.8.2. Оптимальную модель замен нуклеотидов для выравнивания подбирали с помощью Байесовского информационного критерия (Bayesian Information Criterion, BIC). Наименьшее значение BIC было рассчитано для модели GTR (General Time-Reversible). Для моделирования скорости эволюции на разных участках последовательности использовали гамма-распределение (+G) и допущение, что некоторая часть сайтов является эволюционно неизменными (+I). Скорость эволюции задавали с помощью логнормальных нестрогих молекулярных часов. Значений эффективного размера выборки (Effective Sample Size, ESS) более 200 позволила достичь Марковская цепь Монте-Карло (Markov chain Monte Carlo, МСМС) длиной 80 млн шагов. Для построения и редактирования филогенетического дерева с максимальной надежностью ветвей (Maximum clade credibility, MCC) использовали программы TreeAnnotator 1.8.2. и FigTree 1.4.2. Классификация сублиний внутри G-генотипов на филогенетическом дереве представлена в соответствии с литературой [6, 12, 14, 26, 28, 52, 57, 66]. Для визуализации антигенных сайтов в программе Chimera использовали структурную модель тримера VP7, доступную в PDB под номером 3FMG.

Результаты

Филогенетический анализ российских и вакцинных штаммов на основе гена VP7

Филогенетическое дерево, построенное на основе нуклеотидных последовательностей изолятов РВА из России (Нижний Новгород, Москва, Новосибирск) и других стран, а также компонентов вакцин, представлено на рис. 1. Российские штаммы вошли в состав 13 кластеров, соответствующих разным филогенетическим линиям и сублиниям. Двенадцать штаммов генотипа G1, цирукулировавшие в Нижнем Новгороде, Москве и Новоисбирске в 2017–2023 гг., относились к филогенетической линии G1-II (сублиния C). Один штамм из Нижнего Новгорода 2017 г. вошел в состав линии G1-I (сублиния A). Вакцинные штаммы принадлежали другим филогенетическим кластерам, соответствующим линии G1-III (WI79-9, D) и сублинии G1-II-A (A41CB052A).

Рисунок 1. Филогенетическое дерево на основе гена VP7 ротавирусов

Figure 1. Phylogenetic tree on the base of rotavirus VP7 gene

Примечание. Квадраты соответствуют штаммам пентавалентной вакцины (Индия), ромбы — штаммам пентавалентной вакцины (США), круги — штаммам обеих моновалентных вакцин.

Note. Squares represent strains of the pentavalent vaccine (India), diamonds — strains of the pentavalent vaccine (USA), circles — strains of both monovalent vaccines.

Ротавирусы генотипа G2, взятые в исследование, были представителями двух сублиний филогенетической линии G2-IV: a-1 (6 штаммов) и a-3 (20 штаммов). Вакцинные штаммы DS-1 и SC2-9 принадлежали линиям I и II соответственно.

Российские ротавирусы генотипа G3 были наиболее генетически гетерогенны. Основная часть штаммов (n = 19), выявленных в 2017–2023 гг., имели генотип G3P[8] и были представителями линии G3-I, которая включает широко распространенный в мире DS-1-подобный реассортантный вариант, который в литературе обозначают как «equine-like» — подобный ротавирусам лошадей [24]. Циркуляция данных штаммов на территории России ранее уже была отмечена [4, 5, 47, 60]. Один штамм генотипа G3P[8], выявленный в 2023 г. в Нижнем Новгороде, относился к сублинии G3-3-а. Ранее ротавирусы данной сублинии были широко представлены в России [5]. Однако после 2019 г. они не выявлялись. В Италии, напротив, представители данных филогенетических линий коциркулировали в период 2017–2020 гг. [13]. Небольшая часть штаммов (n = 6) относилась к сублинии G3-3-е, которая включает эволюционно обособленные штаммы генотипа G3P[9], родственные ротавирусам кошек и собак [60]. Вакцинные штаммы WI78-8 и P относились к сублинии G3-3-d, в состав которой не вошел ни один из российских ротавирусов.

Ротавирусы генотипа G4P[8] (n = 7), как и большинство выявленных в России ранее, были представителями сублинии G4-I-с. Вакцинные штаммы ST3 и BrB-9 относились к сублинии G4-I-а. Один штамм генотипа G6P[9] принадлежал линии G6-I, в то время как вакцинный штамм WI79-4 вошел в состав линии G6-IV. Ротавирусы генотипа G8P[8] (n = 13) группировались в кластер, соответствующий сублинии G8-IV, и были филогенетически близки реассортантным ротавирусам из Вьетнама, Испании, Таиланда, Японии и других стран (2013–2017 гг.).

Ротавирусы генотипа G9 были генетически гетерогенны и вошли в состав двух филогенетических линий (III и VI). Основная часть штаммов (n = 25) были представителями сублинии G9-III-d, зафиксированной в России с 2011 г. [1]. Остальные штаммы (n = 7) относились к сублинии G9-VI-е, редкой для территории нашей страны. Увеличение доли штаммов данной линии также было отмечено в Малайзии, где в целом был показан рост вклада ротавирусов в структуру ОКИ до 37,2% [8], и в Китае [42]. Вакцинные штаммы AU-32 и 116E принадлежали линиям G9-I и G9-II соответственно. Ротавирусы генотипа G12P[8] вошли в кластер, соответствующий линии G12-III.

Сравнение аминокислотной последовательности белка VP7 российских и вакцинных штаммов в области антигенных эпитопов

Сравнительный анализ компонентов индийской пентавалентной вакцины и гомотипичных им российских штаммов в области нейтрализующих антигенных эпитопов 7-1а, 7-1b и 7-2 показал от 3 до 6 аминокислотных различий (табл. 2). При этом наибольшее количество присутствовало у штаммов сублиний G1-I-A, G2-IV a-1 и линии G3-I. Наименьшее число замен имели представители сублиний G1-II-C, G3-3-е и G9-VI-е. Гетеротипичные штаммы генотипов G6, G8 и G12 в своей аминокислотной последовательности имели существенно больше аминокислотных замен (от 13 до 19). В области Т-клеточных эпитопов белка VP7 у гомотипичных штаммов было обнаружено от 1 до 4 замен (табл. 3). Наибольшее количество различий имели представители линии G3-I и сублинии G4-I-с, а наименьшее — сублинии G2-IVa-1. У гетеротипичных штаммов в структуре антигенных сайтов выявлено от 10 до 16 замен.

Таблица 2. Замены аминокислот в конформационных антигенных эпитопах для нейтрализующих антител на поверхности белка VP7 у российских РВА разных сублиний в сравнении с вакцинными штаммами

Table 2. Amino acid substitutions in the conformational antigenic epitopes for neutralizing antibodies on the VP7 surface in Russian RVA of different sublineages compared with vaccine strains

Штамм, сублиния

Strain, sublineage

Эпитопы и позиции

Epitopes and positions

Всего

Total

7-1a

7-1b

7-2

100

104

123

125

129

130

291

201

211

212

213

238

242

143

145

146

147

148

190

217

221

264

Гомотипичные штаммы

Homotypic strains

Вакцинный D, G1-III

Vaccine D, G1-III

G1-I-А

–

G1-II-С

S/N

Вакцинный DS-1, G2-I

Vaccine DS-1, G2-I

G2-IVa-1

T/I

G2-IVa-3

I/M

Вакцинный P, G3-3-d

Vaccine P, G3-3-d

G3-I

S/N

A/V

A/T

D/E

G3-3-е

N/D

I/V

Вакцинный ST3, G4-I-а

Vaccine ST3, G4-I-а

G4-I-С

S/T

T/P

Вакцинный AU32, G9-I

Vaccine AU32, G9-I

G9-III-d

T/I

D/N

G9-VI-e

Гетеротипичные штаммы

Heterotypic strains

G6-I

N/S

D/N

–

E/D

D/N

15–19

G8-IV

–

10–19

G12-III

T/M

N/S

13–19

Таблица 3. Замены аминокислот в Т-клеточных эпитопах VP7 у российских РВА разных сублиний в сравнении с вакцинными штаммами

Table 3. Amino acid substitutions in the VP7 T-cell epitopes in Russian RVA of different sublineages compared with vaccine strains

Штамм, сублиния

Strain, sublineage

Позиции

Positions

Всего

Total

Гомотипичные штаммы

Homotypic strains

Вакцинный D, G1-III

Vaccine D, G1-III

G1-I-А

G1-II-С

R/Q

F/S

Вакцинный DS-1, G2-I

Vaccine DS-1, G2-I

G2-IVa-1

G2-IVa-3

T/I

A/N/S

Вакцинный P, G3-3-d

Vaccine P, G3-3-d

G3-I

L/V

G3-3-е

Вакцинный ST3, G4-I-а

Vaccine ST3, G4-I-а

G4-I-С

L/F

V/L

K/R

I/V

Вакцинный AU32, G9-I

Vaccine AU32, G9-I

G9-III-d

I/M

T/L/A/V

G9-VI-e

Гетеротипичные штаммы

Heterotypic strains

G6-I

T/S

M/V

T/A

I/T

A/V/T

10–15

G8-IV

N/I

I/R

11–15

G12-III

L/I

V/F

V/I

11–16

Поскольку на территории России ротавирусы линии G3-I были обнаружены только в 2017 г., анализ данного варианта в области антигенных эпитопов в сравнении с вакцинными штаммами ранее не проводился. В эпитопах 7-1а, 7-1b и 7-2 для него показано по 6 замен в сравнении со штаммами Р и WI78-8 (рис. 2), в то время как в структуре Т-клеточных эпитопов в каждом случае выявлено по 4 замены.

Рисунок 2. Структурная модель тримера VP7

Figure 2. Structural model of trimeric VP7

Примечание. Разные субъединицы тримера окрашены оттенками серого. Области конформационных антигенных эпитопов для нейтрализующих антител отмечены темно-серым. Замены аминокислот, характерные для российских ротавирусов генотипа G3P[8] (линия G3-I) в сравнении с вакцинным штаммом Р отмечены черным.

Note. Different subunits of the trimer are colored in shades of gray. Regions of conformational antigenic epitopes for neutralizing antibodies are marked in dark gray. Amino acid changes specific to Russian genotype G3P[8] rotaviruses (G3-I lineage) compared to the vaccine strain P are shown in black.

Обсуждение

В данном исследовании было охарактеризовано разнообразие VP7-геновариантов ротавируса А, циркулирующего в Нижнем Новгороде и других городах России. Установлена принадлежность штаммов к 13 филогенетическим линиям и сублиниям. При этом в каждом случае вакцинные штаммы группировались обособленно от российских.

Ранее при анализе конформационных антигенных эпитопов 7-1а, 7-1b и 7-2 в сравнении с вакцинным штаммом A41CB052A (RV1) было показано от 8 до 19 замен, при этом наименьшее их число было у штаммов генотипа G1, гомотипичных вакцинному, а наибольшее — у ротавирусов генотипа G2. В сравнении со штаммами вакцины RV5 для гомотипичных им штаммов было обнаружено от 2 до 10 замен аминокислот. В этом случае, напротив, наибольшим количеством различий характеризовались штаммы генотипа G1 (сублиния G1-I-A), а наименьшим — ротавирусы генотипа G2 [49]. Для вакцинного штамма 116E среди гомотипичных ему ротавирусов выявлено 4 замены аминокислот [2]. В области Т-клеточных антигенных эпитопов у российских ротавирусов, гомотипичных штаммам разных вакцин, было обнаружено от 2 до 6 замен (генотипы G4 и G1 соответственно) [48].

Мы дополнили имеющиеся данные результатами сравнения ротавирусов, циркулировавших в Москве, Нижнем Новгороде и Новосибирске в 2016–2023 гг., со штаммами индийской пентавалентной вакцины, одобренной для применения в России в 2020 г. В структуре конформационных В-клеточных антигенных эпитопов белка VP7 гомотипичные вакцинным штаммы имели от 3 до 8 замен аминокислот, а гетеротипичные — до 19 замен аминокислот. Область линейных Т-клеточных эпитопов также характеризовалась вариабельностью аминокислотной последовательности: обнаружены мутации в 1–4 позициях у гомотипичных штаммов и в 10–16 позициях у гетеротипичных штаммов.

В литературе доступна обширная информация об аминокислотных заменах в антигенных сайтах, благодаря проведению аналогичных исследований во многих странах. В большинстве случаев, эти работы посвящены сравнительному анализу локально циркулирующих ротавирусов с компонентами двух наиболее распространенных вакцин — моновалентной (RV1, Бельгия) и пентавалентной (RV5, США). Так, проанализированы ротавирусы, циркулировавшие в Габоне, США, Катаре, Тунисе, Руанде, на Ближнем Востоке, в Северной Африке и в других регионах [29, 41, 44, 51, 53, 58]. В случае моновалентной вакцины RV1 для ротавирусов генотипа G1P[8] из разных стран, гомотипичных штамму A41CB052A, было обнаружено от 1 до 10 замен аминокислот [53, 58]. Штаммы других генотипов отличались от него в 7-19 позициях антигенных эпитопов, наибольшее количество различий было показано для генотипов G2 и G12 [29, 44, 53]. В сравнении с компонентами пятивалентной вакцины (RV5, США) гомотипичные ротавирусы имели от 2 до 13 аминокислотных замен (генотипы G4 и G3 соответственно) [41, 44], а гетеротипичные — от 3 до 24 (генотипы G9 и G12 соответственно) [29, 51].

В сравнении со штаммом моновалентной вакцины 116E (Индия) проанализированы ротавирусы генотипа G9P[8], циркулировавшие в Китае, Катаре, Аргентине, Сербии, Индии и Тунисе [25, 34, 42, 44, 51]. Для них обнаружено от 3 до 6 замен, что соизмеримо с количеством, выявленным у российских штаммов [2].

Сравнению локально циркулирующих ротавирусов и штаммов пятивалентной вакцины (Индия) посвящено только небольшое число опубликованных работ. Изучены штаммы лишь отдельных генотипов, выделенные в Китае, на юге Индии и в Малайзии [7, 42, 61]. Так, у ротавирусов генотипа G9P[8] (линия VI) обнаружено от 2 до 4 замен в сравнении с соответствующим вакцинным компонентом [7, 42]. Для ротавирусов генотипа G1P[8] линии G1-I выявлено 8 мутаций, а у представителя линии G1-II — 2 мутации [61]. Это согласуется с числом замен, обнаруженных у российских штаммов, гомотипичным вакцинным.

В литературе имеются сведения об аминокислотных различиях с вакцинными компонентами в области антигенных эпитопов нового геноварианта вируса линии G3-I, подобного ротавирусам лошадей. У ротавирусов из Ирана показаны 3 замены в сравнении с гомотипичным штаммом пятивалентной вакцины (RV5, США) [50]. В Малайзии для штаммов, выделенных в штате Сарауак, выявлено 5 мутаций [63], а в штате Сабах — 7 замен [8]. Изоляты из Танзании имели 5 замен [40], и аналогичные результаты показаны для ротавирусов, циркулировавших в Италии в 2017–2020 гг. [13]. Российские штаммы имели по 6 мутаций в сравнении с гомотипичными компонентами обеих пятивалентных вакцин, что свидетельствует о том, что реассортантные ротавирусы, циркулирующие на разных территориях, могут иметь некоторые различия в структуре антигенных эпитопов, несмотря на их филогенетическое родство. Примечательно, что и реассортантные штаммы, и штаммы разных вакцин имеют вариабельность аминокислотной последовательности в позиции 238, которая в случае присутствия аспарагина потенциально является сайтом N-гликозилирования [13, 29, 41, 42, 50, 51, 55]. Сайты гликозилирования сами по себе редки среди ротавирусов. У других вирусов, например, SARS-CoV-2, гликозилирование определяет их иммуногенность путем модуляции взаимодействия с рецепторами или маскировки антигенных сайтов [42]. В случае замен аминокислот в этом сайте возможно изменение заряда и полярности, что может повлиять на химические свойства белка в целом, а также на гидрофобность данного эпитопа и сделать его недоступным для антител [55]. Например, замена K238N вызывала снижение нейтрализации штаммов РВ животных [22].

У ротавирусов других генотипов аминокислоты в некоторых позициях (94, 96, 97, 147, 148, 190, 208, 211, 213 и 217) также имеют значение для нейтрализации, а мутации в этих сайтах могут изменять антигенные свойства. Например, имеется информация об антигенных различиях между штаммами линий II и III генотипа G1, которые имеют сходство аминокислотного состава белка VP7 в диапазоне 95,9–96,5% и различаются аминокислотами в положениях 97 и 147. Антисыворотка против штамма линии III (D, входит в состав пятивалентной вакцины) нейтрализовала другой штамм той же линии (Wa) более эффективно, чем штаммы линии II [38]. Российские штаммы линии G1-I имели 5 замен аминокислот в таких позициях (94, 97, 123, 147 и 217), линии G1-II — 3 замены (97, 147 и 217). Мутации в положениях 94 и 217 связаны с «ускользанием» вируса от действия иммунной системы [43, 72]. Замена S123N не является мутацией, способствующей ускользанию от иммунитета. Однако она чаще обнаруживалась среди вакцинированных детей, что может указывать на возможное селективное давление [44].

Штаммы генотипа G2 обычно связаны с генотипом P[4], поэтому при использовании пятивалентных вакцин защита от них во многом зависит от VP7-компонента. Было выдвинуто предположение, что внезапное возникновение эпидемически значимых штаммов генотипа G2 на Тайване и их быстрое распространение в мире произошло благодаря их способности к уклонению от иммунного ответа за счет антигенных изменений, вызванных заменой аминокислоты в положении 96 в антигенном регионе 7-1a [27, 28, 33]. Российские штаммы имели указанную замену, а также мутации в позициях 87, 213 и 242. Имеются сведения, что эти мутации связаны с введением вакцинации в разных странах, возможно вследствие антигенного давления на эти сайты [64, 72].

Российские и вакцинные штаммы генотипа G4 принадлежат к одной и той же филогенетической линии. Однако российские изоляты, как и все представители сублинии G4-I-с, имеют инсерцию аспарагина в положении 76. Эта вставка близка к мотиву гликозилирования NST в остатках 69–71, который консервативен у большинства штаммов генотипа G4, инфицирующих людей. Нельзя исключить, что вставка влияет на гликозилирование в данном регионе и, следовательно, изменяет антигенные свойства штаммов. Остаток 76 расположен в гидрофильной области, и введение аспарагина в данный регион может еще более усилить его гидрофильность [11, 21].

Эффекты применения вакцин на популяцию ротавирусов остаются до конца неясны. В Бельгии, где средний охват вакцинацией моновалентной вакциной RV1 составил 88,5%, среди привитых детей наблюдалась значимо более высокая доля ротавирусов генотипа G2P[4] по сравнению с непривитыми [46]. Другие исследовательские группы сообщили о похожих результатах в Бразилии, Австралии и Австрии [20, 39, 56]. В США и регионах Австралии с высоким уровнем охвата пятивалентной вакциной RV5 отмечалось повышение распространенности генотипа G3P[8] [37, 39, 46]. Однако неизвестно, связана ли такая картина с воздействием вакцин или колебаниями доли разных генотипов, происходящими в процессе естественной циркуляции ротавирусов. Влияние вакцин на популяцию ротавирусов также может быть более сложным, чем просто отбор штаммов определенного генотипа. Об этом свидетельствует более частое обнаружение реассортантов типа G2P[4], содержащих сегменты животного происхождения, или ротавирусов типа G1P[8], имеющих внутренние гены, отличающиеся от штамма RV1, в поствакцинальных исследованиях в Бельгии [70, 71].

Большинство работ, посвященных иммунитету к ротавирусам, сосредоточены на антителах к белкам наружного капсида вириона. Однако и другие иммунологические механизмы могут играть важную роль в течении заболевания и защите от инфекции. Они включают антитела, направленные против белка внутреннего капсида VP6, который может обеспечивать защиту у мышей, или направлены против других структурных и неструктурных белков, которые потенциально могут распознаваться Т-клетками [19, 31, 54]. Более ранние исследования показали, что первичные ротавирусные инфекции связаны с повышением уровня в сыворотке крови антител, направленных против структурных белков VP2, VP4, VP6, VP7, а также неструктурных белков NSP2 и NSP4 [23, 62]. Так как используемые в настоящее время ротавирусные вакцины являются живыми, все эти пути могут быть в разной степени реализованы при формировании поствакцинального иммунитета.

Заключение

Вакцины показали себя надежным инструментом защиты детского населения от ротавирусной инфекции. В то же время их применение требует постоянного мониторинга циркулирующих ротавирусов, пристального внимания к необычным штаммам, которые могут быть результатом селективного давления, и подробного изучения иммунологических механизмов, за счет которых достигается защита от инфекции, формируемая той или иной вакциной. В рамках настоящей работы охарактеризовано разнообразие российских ротавирусов по гену VP7 и установлена их принадлежность к 13 линиям и/или сублиниям. На филогенетическом дереве они группировались обособленно от вакцинных штаммов. В антигенных эпитопах для нейтрализующих антител между ними показано 3–6 аминокислотных различий. В области Т-клеточных эпитопов обнаружено 1–4 замены аминокислот. Эта информация важна для понимания потенциального воздействия вакцин на антигенную структуру популяции ротавирусов в России.