Все вирусные популяции характеризуются генетическим полиморфизмом, в основе которого лежат спонтанные мутации как результат ошибок при считывании вирусного генома в процессе репликации.
Спонтанные мутации ответственны за фенотипические изменения различных свойств вируса, в том числе вирулентности. В природе вирусы в процессе передачи от хозяина к хозяину совершают множество циклов репродукции. В этот период постоянно генерируются спонтанные мутации, которые могут вызывать изменения свойств вируса. В организме природного хозяина селекционируются преимущественно вирулентные вирусные частицы, которые способны передаваться серийно восприимчивым организмам.
Адаптация вирусов к неестественным условиям репродукции сопровождается прогрессирующей селекцией спонтанных мутантов адекватно новым условиям размножения.
Вирулентность вируса может быть снижена разными путями, в том числе пассированием в культурах клеток особенно неестественного хозяина. При этом преимущественно накапливаются мутанты, которые размножаются быстрее, чем полевой вирус. Затем такие мутанты селекционируют и определяют пригодность для использования в качестве живой вакцины. Аттенуированные мутанты часто являются пригодными в качестве живых вакцин потому, что они не долго размножаются в организме естественного хозяина и в то же время часто вызывают выраженный иммунный ответ.
У РНК-вирусов защитный механизм считывания генетической информации менее эффективен, чем у ДНК-вирусов. Они обладают значительно более высокой скоростью мутации, не менее чем в 100 раз, чем ДНК-вирусы ДНК-вирусы генетически более стабильны и труднее адаптируются. Частота ошибок у РНК-зависимых полимераз значительно выше, чем у ДНК-зависимых полимераз. На 10 000 оснований РНК-вирусов приходиться примерно одна мутация. РНК-полимераза коронавирусов может привести примерно к трем редким мутациям вируса на каждые 30 кb генома в процессе репродукции. Нелетальные мутанты РНК-вирусов накапливаются достаточно быстро. Гены, кодирующие разные белки, изменяются с разной скоростью.
Классическая аттенуация вирусов связана с селекцией спонтанных мутантов с пониженной вирулентностью. Идеально, аттенуация вирусных штаммов не должна сопровождаться потерей способности удовлетворительно размножаться в организме естественного хозяина, изменением антигенности и потерей протективных свойств.
Генетические мутации наиболее часто сопровождаются заменой единичных нуклеотидов (точечные, миссенс мутации). Реже мутации связаны с делецией или инсерцией единичных нуклеотидов или блоков нуклеотидов. Фенотипическая экспрессия мутаций может проявляться изменением различных свойств вируса.
Точечные мутации, сопровождающиеся специфическими аминокислотными заменами, в кодируемых вирусом белках могут снижать их функцию in vivo и тем самым вызывать аттенуацию вируса для хозяина. По уровню аттенуации и их потенциальной полезности для живых вирусных вакцин различают три класса точечных мутаций: чувствительные к температуре (ts мутанты); зависящие от протеолитического расщепления (Ра мутанты) и с измененным тканевым (клеточным) тропизмом.
Ts мутанты обычно являются условно летальными вирусами, которые эффективно размножаются при 32—34°С. Аттенуирующие ts мутации идентифицированы в большинстве, если не во всех генах вирусов; ts мутацию можно вызвать почти в любом гене. Ts мутанты особенно пригодны для иммунизации людей против респираторных вирусных болезней. Они хорошо размножаются в верхнем отделе респираторного тракта человека (32—34°С) и плохо — в нижнем (37°С).
Обнаружение ts мутантов (неспособных удовлетворительно размножаться при температуре несколько выше, чем нормальная температура тела) обычно отражает снижение вирулентности и указывает на возможность их использования в качестве живой вакцины. Однако, даже вакцины, содержащие более чем одну мутацию, доставляют беспокойство, связанное с возможностью восстановления вирулентности в процессе размножения в привитом организме.
Вакцинные штаммы полиовируса являются температурочувствительными со значительно сниженной способностью к размножению и нейровирулентностью для обезьян при введении в спиной мозг. Однако такие штаммы хорошо размножаются в кишечнике вакцинированных животных и могут вызывать виремию, и создают иммунитет. Хотя вакцинный вирус выделяется с фекалиями, контактная передача чувствительным организмом происходит очень редко.
Аттенуация путем адаптации вируса к размножению при пониженной температуре приводит к получению холодоадаптированных (Са) мутантов. К Са мутантам относятся безопасные вакцинные штаммы для интраназального применения, т.к. они хорошо размножаются при пониженной температуре носовой полости (около 33°С у большинства видов млекопитающих), но не при температуре низлежащих респираторных путей и легких. Холодоадаптированные вакцинные штаммы против гриппа, содержащие мутации почти в каждом гене, не давали реверсии. В 1997 году вакцину против гриппа людей, основанную на таких мутациях, использовали в США. Са мутанты успешно использовали при создании живых вакцин против ряда вирусных болезней животных.
Ра мутанты играют важную роль в аттенуации вирусов, инфекционность которых зависит от протеолиза структурного белка.
Известно, что протеолитическое расщепление парамиксовирусов необходимо для активации инфекционности и играет важную роль в проявлении тканевого тропизма и патогенности. Трипсин-подобные ферменты, присутствующие в клетках хозяина, требуются для расщепления предшественника белка сплавления FO на две субъединицы F1 и F2. Ра мутанты устойчивые к активации трипсином, оказывались аттенуированными.
Протеолитическое расщепление ГА вируса гриппа клеточными протеазами является важным для инфекционности вирусного потомства. В культуре клеток куринного эмбриона не происходит расщепления гемагглютинина.
Точечные мутации могут сочетаться с делеционными мутациями.
