De stamboom van een pandemie

Op 28 februari, meteen nadat de Duitse viroloog Christian Drosten (Universiteitskliniek Charité in Berlijn) een genetische sequentie van het nieuwe coronavirus had gepubliceerd, wilde hij via zijn Twitteraccount een waarschuwing uitsturen. 'Zijn' sequentie kwam van een Duitse patiënt die in Italië met Covid-19 besmet was geraakt. Het genetische materiaal van het virus leek verdacht veel op een monster van een andere patiënt in München, een schakel in de eerste infectieketen die al eind januari in Duitsland was gevonden.

Drosten had onmiddellijk door hoe dit geïnterpreteerd zou worden: dat de uitbraak in Beieren niet volledig overwonnen was en dat het virus van daaruit ongemerkt naar Italië was geraakt. In beide genoomsequenties kwamen namelijk dezelfde drie mutaties voor, die ook in de eerste monsters uit China te zien waren. Maar Drosten wist dat dit ook nog op een andere manier te verklaren was: een Chinese variant van het virus met de drie mutaties kon ook gelijktijdig in beide landen binnengedrongen zijn. Het zopas gesequencete genoom 'volstaat niet om te beweren dat er een link tussen München en Italië is', twitterde Drosten.

Maar niet iedereen lette op zijn waarschuwing. Een paar dagen later al schreef Trevor Bedford (Fred Hutchinson Cancer Research Center in Seattle), die de constante stroom van nieuwe coronagenomen analyseert en in Twitter-threads bespreekt: dit patroon doet vermoeden dat de vroege uitbraak in Beieren nooit volledig is ingedamd en zo tot de Italiaanse uitbraak heeft geleid. Zijn uitspraak werd wél breed opgepikt. Zo beweerde het tijdschrift Technology Review dat de uitbraak in München aan een aanzienlijk deel van de Europese epidemie kon gelinkt worden. Twitteraars eisten prompt verontschuldigingen van Duitsland.

Andere wetenschappers en onderzoekers vonden Bedfords conclusie echter overhaast. Zo is virologe Eeva Broberg (ECDC, European Center for Disease Control) het eens met Christian Drosten dat er plausibeler scenario's zijn voor hoe de ziekte in Noord-Italië is beland. Ook Richard Neher, bioloog aan de Universiteit van Basel, spreekt zijn collega tegen. 'Hiervoor verdient hij een pak voor zijn broek', zegt Neher, die met Bedford samenwerkt. 'Je kunt dit niet zomaar beweren op basis van de fylogenie alleen', stelt ook evolutionair bioloog Andrew Rambaut (University of Edinburgh). Ook Bedford vindt het intussen plausibel dat het virus twee keer vanuit China in Europa is binnengekomen: 'Ik had voorzichtiger moeten zijn in mijn Twitterbericht.'

Deze episode illustreert goed hoe voorzichtig onderzoekers moeten zijn bij hun analyse van het erfelijk materiaal van een ziekteverwekker, terwijl we nog midden in een epidemie zitten. Sinds het nieuwe virus met de naam SARS CoV-2 in China werd ontdekt, nemen wetenschappers in de hele wereld monsters van patiënten, sequencen ze het genoom van het virus en plaatsen ze de sequenties online. Daar kunnen ze dan de volgorde van de nucleotiden analyseren en vergelijken. Minimale veranderingen in het virus zijn dan tegelijk ook merkers die het mogelijk maken om de weg te traceren die het virus tijdens zijn verspreiding over de wereld heeft afgelegd. Maar omdat het virus tot nu toe maar weinig veranderingen vertoont, zijn de antwoorden niet eenduidig. 'Dit is een ongelooflijk ernstige ziekte. We moeten zien te begrijpen hoe die zich uitbreidt', zegt biologe Bette Korber (Los Alamos National Laboratory), die eveneens het genoom van SARS-CoV-2 onderzoekt. 'Omdat het virus tijdens de uitbraak slechts heel langzaam verandert, doen de onderzoekers wat ze kunnen en doen ze voorstellen die op dit moment als aanzet moeten worden beschouwd.' Dus niet als definitieve waarheid.

Aan het begin van de uitbraak konden onderzoekers makkelijker conclusies treken, zegt bioloog Kristian Andersen van het Amerikaanse Scripps Research Institute. De allereerste sequentie van begin januari gaf het antwoord op de grote basisvraag: welke verwekker veroorzaakt deze ziekte? De volgende sequenties waren bijna identiek, wat er sterk op wijst dat het virus maar één enkele keer van dier op mens is overgesprongen. Als dat meerdere keren zou zijn gebeurd, dan hadden de onderzoekers meer genetische variatie aangetroffen bij de eerste mensen die besmet raakten.

Intussen is SARS-Cov-2 beginnen te veranderen. Na verloop van tijd ontstaan er toevallige mutaties, die niet allemaal door het correctiesysteem van het virus opgespoord en verbeterd worden. Over de hele lengte van zijn genoom, dat 30.000 basenparen bevat, verzamelt SARS-Cov-2 gemiddeld één tot twee mutaties per maand, zegt Rambaut. 'Daarmee is het twee tot vier keer langzamer dan de griep', zegt hij. Deze kleine veranderingen kunnen onderzoekers in theorie helpen om een fylogenetische stamboom op te stellen.

Dat werkt ongeveer zoals een gigantische versie van  het klassieke telefoonspelletje dat kinderen graag spelen: één persoon fluistert twee andere mensen een zin in het oor, waarop elk van hen dit op zijn beurt aan twee andere personen verder vertelt. Af en toe kunnen er onderweg foutjes ontstaan, al gebeurt dat zeker niet bij elke doorgezegde zin. Toch ontstaan er zo vrij snel heel wat versies van de oorspronkelijke zin, die allemaal lichtjes van elkaar verschillen. Als je daarna aan iedereen zou vragen welke zin zij hebben doorverteld, zou je daaruit kunnen afleiden welke zinnen van dezelfde ketting mensen komen, en in welke volgorde ze zijn ontstaan. Je zou zelfs kunnen inschatten hoeveel mensen er ongeveer tussen al die zinnen hebben gezeten. Onderzoekers gaan op een soortgelijke manier te werk met het genoom van het virus: ze leggen verbanden tussen verschillende gevallen van Covid-19 en schatten in of er een onontdekte verspreiding van het virus zou kunnen bestaan.

Toen het tweede virusgenoom werd gesequencet in de Amerikaanse staat Washington (van een tiener bij wie op 27 februari 2020 Covid-19 was vastgesteld), zag dit eruit als een rechtstreekse nakomeling van het eerste genoom, afkomstig van een zes weken ouder geval en met drie nieuwe mutaties. Bedford twitterde dat het hem 'hoogst onwaarschijnlijk' leek dat beide genomen via twee verschillende punten zouden zijn binnengeraakt. 'Ik denk dat er al een aanzienlijke uitbraak in de staat Washington is, die we tot nog toe niet hebben ontdekt', schreef hij. Zijn analyse bleek correct. Washington heeft intussen meer dan 1.376 besmettingen waarvan 74 met dodelijke afloop gemeld (stand op 19/03/2020). Bijkomende virussequenties lijken te bevestigen dat het inderdaad gaat om één globale uitbraak en niet om twee apart binnengedrongen besmettingshaarden. Dit keer was Bedfords conclusie dus correct, zegt viroloog Rambaut, omdat die niet enkel was gebaseerd op het genoom, maar ook rekening hield met de herkomst van de patiënten: zij waren allebei uit dezelfde county naar Washington gereisd.

Het genoom alleen volstaat niet meer om de verspreiding van het virus na te gaan, maar het is wel het beste spoor dat de wetenschap heeft. Ondanks de grote hoeveelheid genoomsequenties die er intussen al zijn, is slechts een klein deel van de wereldwijd tweehonderdduizend gevallen genetisch onderzocht. Het is alsof je in een ruimte waarin 200.000 mensen telefoontje spelen maar 500 mensen kunt ondervragen.

Omdat de uitbraak pas enkele maanden oud is, lijkt het erfelijk materiaal van de meeste virussen ook nog zeer sterk op elkaar. Dat maakt het moeilijk om conclusies te trekken. 'In de loop van de epidemie verwachten we alsmaar meer variatie en duidelijker afstammingslijnen te zien', zegt Neher. 'Dan zal het ook eenvoudiger worden om de puzzelstukjes bij elkaar te leggen.' De onderzoekers vergelijken de genomen niet alleen om de afstamming te begrijpen, maar zoeken zo ook naar mutaties, die het virus gevaarlijker kunnen maken of de verspreidingssnelheid kunnen wijzigen. 

Maar ook hier is voorzichtigheid op zijn plaats. In een artikel van Jian Lu en zijn collega's (Peking University), op 3 maart gepubliceerd in het tijdschrift National Science Review werden 103 virusgenomen geanalyseerd. De auteurs stellen daarin dat de virussen in twee types, S en L, kunnen worden onderverdeeld, die vooral van elkaar verschillen door één mutatie. Aangezien 70 procent van het gesequencete SARS-CoV-2-genoom tot het recentere type L behoort, komen de auteurs tot de slotsom dat deze nieuwe variant agressiever is en zich sneller uitbreidt. Maar Rambaut stelt dat het bewijs hiervoor ontbreekt. De auteurs zouden 'de twee takken gezien hebben en daaruit geconcludeerd hebben dat de ene groter is, [zodat het virus] wel gevaarlijker of overdraagbaarder moet zijn', zegt hij. Maar het is niet omdat een virus geëxporteerd wordt en op een andere plaats tot een grote epidemie leidt, dat het zich anders gedraagt: 'Het kan ook puur toeval zijn dat één van de twee takken groter is dan de andere.' Sommige wetenschappers hebben daarom aan de auteurs gevraagd om hun publicatie terug te trekken. 'De beweringen die daarin gemaakt worden, hebben duidelijk niet voldoende grond en dragen het gevaar in zich dat er op een cruciaal tijdstip van de epidemie gevaarlijke foute informatie kan worden verspreid', schrijven vier wetenschappers van de University of Glasgow in hun antwoord op  www.virological.org. Auteur Lu antwoordde dat de critici zijn studie verkeerd hebben begrepen.

De meeste veranderingen in het erfelijke materiaal hebben hoe dan ook geen invloed op het gedrag van het virus, zegt de Duitse viroloog Drosten. De enige manier om te bevestigen dat een mutatie ook echt een impact heeft op het gedrag van het virus, is om dit virus te onderzoeken in een celcultuur of een diermodel, en vervolgens te bewijzen dat de ziekteverwekker bijvoorbeeld de cellen beter binnendringt of besmettelijker is. Als een virus muteert naar een belangrijke eigenschap, kan dat bovendien ook in twee richtingen gebeuren: het kan zowel gevaarlijker als ongevaarlijker worden. In 2018 publiceerde het team van Drosten een studie die aantoonde dat het virus aan het begin van de SARS-uitbraak van 2002 en 2003 een klein deel van zijn genoom verloor, namelijk 29 basenparen in een gen. Toen de onderzoekers de basenparen in het lab weer aan het genetische materiaal toevoegden, begon het virus zich in verschillende celcultuurmodellen opnieuw beter te vermenigvuldigen.

Het kan vreemd lijken dat een mutatie die het virus afzwakt zich zou doorzetten. Maar precies dat kan gebeuren, wanneer een ziekteverwekker nog maar net in de menselijke populatie binnendringt en niet concurreert met stammen die geen mutaties hebben, zegt Drosten. 'Helaas heeft het nieuwe coronavirus deze 'deletion' niet.' Althans, dat leek tot dusver zo te zijn. Op 12 maart publiceerden onderzoekers uit Singapore echter een studie die aantoont dat er in hetzelfde deel van het erfelijk materiaal een stuk van 382 basenparen ontbreekt in de virussequenties van patiënten uit de plaatselijke uitbraak. Het zou aannemelijk kunnen zijn dat deze deletie het virus in Singapore misschien afgezwakt heeft, zoals toen ook met SARS is gebeurd. Mogelijk heeft dat zelfs geholpen om de epidemie in Singapore onder controle te krijgen. Maar zolang er geen solide data uit het lab zijn, blijft dat speculatief. En met speculaties moeten we heel voorzichtig zijn, zeker als het om erfelijk materiaal van ziekteverwekkers gaat.