Полное исследование функции: Исследование функции и построение графика функции

Полное исследование функции и построение графика

Схема общего исследования функции:

1. Найти область определения функции .

2. Найти область значений функции (если это возможно), точки пересечения графика функции с осями координат, участки знакопостоянства.

3. Определить четность или нечетность функции.

4. Определить периодичность функции.

5. Найти вертикальные, наклонные или горизонтальные асимптоты.

6. Найти критические точки первого рода.

7. Найти критические точки второго рода.

8. Заполнить таблицу исследования.

9. По результатам исследования построить график функции.

Пример 16. Провести полное исследование и построить график функции

Решение.

1. Область определения

2. Пусть x = 0, тогда y = 1,5. Пусть y

   = 0, тогда x = . То есть точки ( 0; 3/2 )

и (; 0 ) – являются точками пересечения графика функции с осями координат. Если , то y(x) < 0.

Если то y(x) > 0.

3. Функция общего вида, т. е. не является ни четной, ни нечетной. Действительно, То есть y(-x)  y(x) и y(-x) — y(x).

4. Функция не является периодической, так как она имеет только одну точку

разрыва.

5. а) Найдем вертикальные асимптоты графика функции. Вертикальные асим-

птоты бывают только в точках разрыва второго рода. В нашем случае подозрительной является точка x = 2. Найдем односторонние пределы:

Следовательно, прямая линия x = 2 – является вертикальной асимптотой.

Б) Уравнения наклонных (горизонтальных) асимптот графика функции будем искать в виде:

y=kx+b, где k и b определяются по формулам:

Если x+ мы находим правую асимптоту, а если x- — левую. При k = 0 и b   мы получаем горизонтальную асимптоту, при k  0 – наклонную, а при k= или b= (или не существуют) –асимптота отсутствует.

В нашем случае

Таким образом, прямая y = x + 2 – является наклонной асимптотой.

6. Найдем первую производную функции:

Итак, критическими точками 1-го рода являются точки x = 1 и x = 3. Точка x=2 критической не является, т. к. она не принадлежит области определения функции.

7. Найдем вторую производную функции:

Критических точек второго рода функция не имеет.

8. Составим таблицу исследования функции:

x	(-; 1 )	1	( 1; 2 )	2	( 2; 3 )	3	( 3; )
y(x)	+	0	—	Не сущ.	—	0	+
y(x)	—	—	—	Не сущ.	+	+	+
y(x)	Возрастает, выпуклая.	Max y=2.	Убывает, выпуклая.	Не сущ.	Убывает, вогнутая.	Min y=6.	Возрастает, вогнутая.

9. Прстроим график функции:

Рис. 1.

Домашняя контрольная работа №5.

Провести полное исследование и построить график следующих функций:

Неопределенный интеграл

Таблица интегралов:

Свойства неопределенного интеграла:

Формула интегрирования по частям:

Пример 17. 2)/ (x-2) провести полное исследование функции и построить граф… — Учеба и наука

Ответы

01. 12.16

Михаил Александров Читать ответы

Андрей Андреевич Читать ответы

Eleonora Gabrielyan Читать ответы

Посмотреть всех экспертов из раздела Учеба и наука > Математика

Похожие вопросы

Коля, Дима и Саша собрали. ..

Катя, Петя, Маша и Игорь участвовали в олимпиаде по математике. Каждую задачу решили ровно 3 ученика. Катя решила 8 задач – больше всех, а Петя

Решено

Задача 4-го класса. через иксы решать нельзя. Подскажите пожалуйста!

Через точку О,не лежащую между…

Имеется два сосуда, содержащие 30 кг и 20 кг раствора кислоты различной концентрации. Если их слить вместе, то получим раствор, содержащий 81%

Пользуйтесь нашим приложением

Исследования по расширению функций: история и альтернативы. Потенциальные риски и преимущества исследований по расширению функций

Область вирусологии и, в некоторой степени, более широкая область микробиологии, широко опирается на исследования, которые включают усиление или потерю функции. Чтобы понять роль таких исследований в вирусологии, д-р Канта Суббарао из Лаборатория инфекционных заболеваний Национального института аллергии и Инфекционные заболевания (NIAID) в Национальном институте здравоохранения (NIH) дали обзор современных научно-технических подходов к исследованию пандемические штаммы гриппа и тяжелого острого респираторного синдрома (ТОРС) и Коронавирусы ближневосточного респираторного синдрома (MERS) (CoV). Как обсуждалось в более подробно позже в этой главе, многие участники утверждали, что слово выбор «приобретения функции» для описания ограниченного типа эксперименты, охватываемые совещательным процессом США, особенно в сочетании с паузой на еще меньшем количестве исследовательских проектов, породили опасения, что эта политика затронет гораздо более широкие области вирусологии исследовать.

ТИПЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРИОБРЕТЕНИЮ ФУНКЦИИ (GOF)

Суббарао объяснил, что обычные вирусологические методы включают эксперименты, которые стремиться получить усиление желаемой функции, например, более высокие урожаи для вакцинных штаммов, но часто также приводят к потере функции, такой как потеря как следствие, способность вируса хорошо размножаться. Другими словами, любой процесс селекции, связанный с изменением генотипов и их полученные фенотипы считаются типом усиления функции (GoF) исследований, даже если политика США предназначена для применения лишь к небольшой часть такой работы.

Суббарао подчеркнул, что такие эксперименты в вирусологии имеют основополагающее значение для понимание биологии, экологии и патогенеза вирусов и добавление что по-прежнему не хватает базовых знаний о SARS-CoV и MERS-CoV. Суббарао представил ключевые вопросы, которые задают вирусологи на всех этапах исследование появления или повторного появления вируса и, в частности, адаптировал эти общие вопросы к трем интересующим вирусам в симпозиум (см. вставку 3-1). К Чтобы ответить на эти вопросы, вирусологи используют методы усиления и потери функции. эксперименты, чтобы понять генетический состав вирусов и специфику взаимодействие вирус-хозяин. Например, сейчас исследователи продвинулись молекулярные технологии, такие как обратная генетика, которые позволяют им получение рекомбинантных вирусов de novo из клонированной кДНК и глубокое секвенирование которые имеют решающее значение для изучения того, как вирусы ускользают от иммунной системы хозяина и противовирусный контроль. Исследователи также используют целевой геном хозяина или вируса. модификация с использованием малой интерферирующей РНК или бактериального CRISPR-ассоциированного белок-9nuclease как инструмент редактирования.

ВСТАВКА 3-1

Общие вопросы вирусологии и вопросы, относящиеся к гриппу, Исследования SARS и MERS. Почему/как вирус заражает и убивает млекопитающих? Каков критический диапазон хозяев и вирулентность детерминанты БВРС-КоВ?

Во время 3-й сессии симпозиума д-р Ёсихиро Каваока из университета штата Висконсин-Мэдисон классифицировали типы исследований GoF в зависимости от результат опытов. Первая категория, которую он назвал «приобретение исследований функций, вызывающих озабоченность», включает в себя генерацию вирусов со свойствами, которых нет в природе. Знаменитый теперь пример, который он привел производство вирусов гриппа А H5N1, передается воздушно-капельным путем среди хорьков по сравнению с не воздушно-капельным путем трансмиссивный дикий тип. Вторая категория связана с генерацией вирусы, которые могут быть более патогенными и/или трансмиссивными, чем дикий тип вирусы, но по-прежнему сопоставимы или менее проблематичны, чем существующие в природе. Каваока утверждал, что большинство изученных штаммов имеют низкую патогенность, но мутации, обнаруженные в природных изолятах, улучшат их репликации в клетках млекопитающих. Наконец, третья категория, т. где-то между двумя первыми категориями, включает в себя создание высокопатогенные и/или трансмиссивные вирусы на животных моделях, которые тем не менее, не представляют серьезной проблемы общественного здравоохранения. Пример это быстрорастущий штамм гриппа A/PR/8/34, у которого, как было установлено, увеличилось патогенность для мышей, но не для человека. В ходе обсуждения д-р Томас Briese из Колумбийского университета далее описал исследования GoF, проведенные в лаборатории как «упреждающий» подход к пониманию того, что в конечном итоге произойдет в природе.

На восьмой сессии симпозиума, д-р Ральф Барик, Университет Северной Каролины и член комитета по планированию симпозиума, объяснил, что GoF эксперименты по исследованию CoV охватывают очень разнообразный набор экспериментов которые имеют решающее значение для разработки вакцин широкого действия и терапия. Подобно Суббарао и Каваоке, Барик перечислил важные эксперименты. для выявления детерминант патогенеза и вирулентности, определили сети взаимодействия вирус-хозяин и описали аллели ответственный за восприимчивость и шаблоны ответа хозяина, которые управляют патогенные или защитные реакции. Однако он особо отметил, что исследования трансмиссивности SARS и MERS-CoV на самом деле относятся к разным категории, чем исследования гриппа, из-за фундаментальных биологических различия между этими вирусами. Сначала он объяснил, что SARS-CoV эволюционировали в течение последних ~800 лет, чтобы эффективно заражать человеческие клетки, экспрессирует вирусный рецептор ACE2. Чтобы проиллюстрировать это, он поделился секвенированием результаты, полученные от китайцев во время пандемии SARS-CoV 2003 г., которые показать постепенные изменения аминокислотной последовательности в геноме в связи с расширяющейся эпидемией. Среди 16 мутаций, обнаруженных в окончания пандемии два были связаны с повышением эффективности штаммы цивет используют рецептор ACE2 для проникновения в клетки человека. Эксперименты in vitro на клетках эпителия дыхательных путей человека (HAE) и in vivo эксперименты на трансгенных мышах показали, что человеческий штамм может эффективно заражать и реплицироваться в клетках, экспрессирующих человеческие, летучие мыши и рецептор ACE2 циветты, штамм циветты не может использовать человеческий рецептор ACE2. Это демонстрирует, что человеческий штамм SARS-CoV эволюционировал, чтобы сохранить свою способность воспроизводить и вызывать расширяющиеся эпидемии, сохраняя при этом свою способность перебраться через циветт и, скорее всего, отступить в резервуар с летучими мышами после борьбы с эпидемией. В большинстве случаев эксперименты GoF изучение взаимодействия рецепторов с SARS-CoV и MERS-CoV показало, что в Модели in vitro или in vivo со штаммом циветты приобретают человеческие рецепторы ACE2, но также теряют циветтный рецептор ACE2. Клеточные рецепторы вирусов гриппа относительно схожи у разных видов, и это вызывает беспокойство о возможном усилении передачи от человека вируса гриппа, который адаптирован для более легкой передачи другим млекопитающим. Напротив, ACE2 интерфейс ортологического рецептора для коронавирусов более заметно различается по разные виды.

ПРИМЕНЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ GOF

Суббарао подчеркнул, что текущие медицинские контрмеры часто недостаточно во многом из-за механизмов резистентности, которые приводят к «ускользающие мутанты», то есть лекарственно-устойчивые штаммы. Есть, поэтому постоянная потребность в разработке новых противовирусных препаратов и дополнительных варианты, такие как иммунотерапия, основанная на нейтрализующих моноклональных антителах. В конечном счете, исследования GoF, которые повышают выход вируса и его иммуногенность, требуется для разработки вакцин. Молекулярные методы помогают характеристика антигенных вариантов, выяснить биологическую основу неблагоприятные исходы, связанные с вакцинами-кандидатами, и определить основу для аттенуации и стабильности вакцин-кандидатов.

Суббарао также объяснил, что одно из важных приложений GoF исследование – это разработка моделей на животных, особенно в случае патогены с пандемическим потенциалом, потому что для получения разрешения на изучение противомерное соединение у людей, Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов правило животных требует наличия болезни, которая имитирует человеческую болезнь в модели животного. Вирус гриппа уникален тем, что его геном фрагментированный; следовательно, мышиные модели могут быть использованы для специфической идентификации вирусных детерминант вирулентности с помощью реассортации одного гена. Другой тип эксперимента GoF, где вирус гриппа вводят хорькам и прохождение определенное количество раз, может привести к характеристике молекулярные детерминанты трансмиссивности. Суббарао повторил, что в настоящее время нет моделей мелких животных для изучения факторов вирулентности БВРС-КоВ или трансмиссивность и что лабораторные штаммы SARS-CoV необходимо адаптировать к конкретные модели животных, чтобы вызвать клинические признаки заболевания.

Baric, на сессии 8 симпозиума, рассказал о сложности использования и оптимизировать модели животных для изучения трансмиссивности SARS- и MERS-CoV и вирулентность. Он сослался на исследование, проведенное в лаборатории Суббарао, где Штамм SARS-CoV был адаптирован путем серийных пассажей на мышиной модели. Как описанная ранее адаптация вируса к мышиному рецептору ACE2 снижает его приспособленность к взаимодействию с человеческим рецептором, но также не вызывают летальный фенотип у мышей, потому что необходимы дополнительные мутации. происходить. Дальнейшие эксперименты показали, что повышенная вирулентность и эффективность репликации не коррелирует с повышенной трансмиссивностью в модель мыши, что делает использование исследования GoF безопасным в этих моделях.

ИССЛЕДОВАНИЯ GOF, ОПРЕДЕЛЕННЫЕ ПРАВИТЕЛЬСТВОМ США

В ходе встречи многие участники отмечали, что широкое Термин «приобретение функции» нуждается в некоторой доработке, которая дифференцировать тип экспериментов, обычно выполняемых для основных вирусологические исследования из экспериментов, которые явно вызывают озабоченность. Когда попросили определить, где вирусологические исследования пересекают черту в GoF исследований, определенных правительством США (White House, 2014a), Суббарао ответил, что «Термин приобретение функции используется генетиками и является расплывчатым и неудовлетворительный термин для микробиологов». Это заявление было повторено Imperiale и многие другие во время обсуждения. Суббарао представил список экспериментов, охватывающих все вирусы гриппа, SARS-CoV и БВРС-КоВ, который, как можно обоснованно ожидать, повысит патогенность или трансмиссивность у видов млекопитающих (см. вставку 3-2). Размышляя над этим списком, д-р Дэвид Релман, Стэнфордский университет, и участники сессии 2 выразили считают, что GoF экспериментирует с созданием вирусов с повышенной вирулентностью, трансмиссивность и патогенность четко определили бы линию, которая подскажите использование альтернатив.

ВСТАВКА 3-2

Где вирусологические исследования пересекаются с исследованиями GoF как определено правительством США? Адаптация БВРС-КоВ к животным моделям Выяснение молекулярных детерминант трансмиссивности с помощью воздушно-капельный путь (грипп)

Империале объяснил, что в отношении терминологии правительства Франции всякий раз, когда исследователи работают с РНК-вирусами, мутации GoF естественным образом появляются постоянно возникающие и ускользающие мутанты, выделенные в лаборатории «Каждый раз, когда кто-то заражается гриппом». Он также отметил, что термин GoF был определенным образом понят участниками этот симпозиум, но когда публика слышит этот термин, «они не можем провести такого рода тонкое различие, которое мы можем сделать здесь», поэтому следует пересмотреть терминологию. Файнберг, сессия модератор, выслушав этот набор докладов, спросил, предлагает ли GoF эксперименты должны быть рассмотрены индивидуально, чтобы сделать лучшее суждение. Суббарао предложила сначала переопределить линию, потому что она обеспокоена тем, что пауза в нынешних исследованиях «затронула слишком много аспектов вирусологическое исследование определения». Доктор Марк Денисон, Вандербильт Университет предложил рассмотреть подход, основанный на конкретных случаях, для коронавирусы, для которых необходимо лучшее понимание биологии. В том же духе Империале добавил, что мы должны «брать конкретном случае и называть его тем, чем он является, а не пытаться придумать какой-то аббревиатура или термин из двух или трех слов, который легко неверно истолковано». Барич напомнил аудитории во время своих выступлений, что потому что в настоящее время нет моделей мелких животных для изучения БВРС-КоВ, ограничения на этот коронавирус должны быть немедленно сняты.

На протяжении всего симпозиума, особенно на заключительном дискуссионном заседании, были призывы к более четкому определению того, какие именно типы экспериментов действительно беспокоят. Доктор Том Инглсби из Центра здоровья UPMC Безопасность отметила, что он думал, что происхождение термина «приобретение функции» восходит к встрече 2012 года, на которой он созван для NIH по этой теме. Этот термин использовался для замены более описательные термины, указывающие на опасения по поводу исследований, которые порождают штаммы респираторных вирусов, которые являются высококонтагиозными и высококонтагиозными. патогенный. По словам Инглсби, это было происхождение термина, и он предположил, что его можно убрать с чем-то более описательным. Др. Джеральд Эпштейн из Министерства внутренней безопасности также призвал выяснить, какие эксперименты вызывают наибольшую озабоченность. GoF явно не тот правильный дескриптор, и он заявил, что это будет огромная услуга для иметь терминологию, точно описывающую те вещи, о которых мы больше всего обеспокоен. То же самое высказывали и другие в разное время во время семинаре (см., в частности, краткое изложение выступления Релмана в главе 5).

АЛЬТЕРНАТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЯМ GOF

Суть дискуссии о рисках и преимуществах исследований GoF и обеспокоенность, которую он вызывает, естественным образом воодушевила вирусологов с обеих сторон. дискуссии рассмотреть альтернативные методологические подходы. Во время его В разговоре Каваока обсудил альтернативы исследованиям GoF, в основном применимые к исследования гриппа, такие как исследование потери функции, использование вирусы патогенности и фенотипические анализы. Далее он процитировал обзор статья, в которой Липсич и Гальвани (2014) заявили, что «альтернативные научные подходы не только менее рискованно, но и с большей вероятностью даст результаты, которые могут быть легко трансформируется в пользу общественного здравоохранения». Тем не менее, Каваока аргументировано на конкретных примерах, что альтернативы не всегда обеспечивают полный ответ на ключевые вопросы. Например, он процитировал работу Tumpey et al. (2007) и Imai et al. (2012) о мутациях ответственность за потерю возможности передачи 1918 грипп напряжение между хорьками и отметил, что эта работа требует исследования GoF потому что метод потери функции не давал полной картины. В кроме того, хотя и работают с низкопатогенными вирусами птичьего гриппа обеспечивает более безопасный подход, Каваока объяснил, что «высокопатогенные птичий грипп отличается от низкопатогенных вирусов своей кинетикой репликация вируса и тропизм», и поэтому данные могут быть вводящий в заблуждение. Другие альтернативы, обсуждавшиеся Каваокой и доктором Робертом Лэмбом, Северо-Западный университет, на сессии 8 симпозиума были процитированы из недавний обзорный документ Липсича и Гальвани (вставка 3.3). Каваока пришел к выводу, что даже если эти подходы предлагают более безопасные альтернативы исследованиям GoF, вызывающим озабоченность, для некоторых вопросы исследователи не могут полагаться исключительно на них, потому что фенотип Молекулярная основа этих новых черт была определена GoF. исследований, а не альтернативными подходами.

ВСТАВКА 3-3

Альтернативные методы исследования с потенциально меньшим риском. Молекулярно-динамическое моделирование белков гриппа и взаимодействия с ингибиторами и рецептором Исследования in vitro специфических свойств, необходимых для человека адаптация с использованием отдельных белков

Для изучения SARS-CoV также предпринимались попытки использовать альтернативные модели in vivo. Baric представил работу Deng et др. (2014), которые предложили оптимизировать более безопасную модель мыши для прижизненный скрининг лекарств с использованием непатогенного рекомбинантного вируса Синдбис (альфавирус), экспрессирующий протеиназу SARS. Хотя следователи удалось повысить выживаемость мышей, когда вирус был мутирован в сайт протеазы, нацеливание на сконструированный вирус с помощью ингибитора протеазы не удалось для защиты мышей. Несколько причин могут объяснить результаты и составить проблемы использования альтернативных вирусных штаммов, таких как вирусный тропизм, биодоступность препарата и титр вируса в органе-мишени. Барик пришел к выводу, что этот тип косвенной модели может привести к дезинформации, которая может усложнить последующую разработку лечения.

Обсуждая снижение риска, Империале сказал, что, по его мнению, «вы может разработать более безопасные подходы к проведению подобных экспериментов; это просто нужно немного воображения со стороны исследователей». Пример неоднократно цитировавшаяся на симпозиуме работа Гарсия-Састре и др. (Langlois et др., 2013). Группа использовала видоспецифичные эндогенные малые Обнаружены РНК, которые могут отключать некоторые основные функции, такие как репликация. в дыхательных путях человека и мыши, но не у хорька. Его сконструированный штамм гриппа А, который содержал эту специфическую мишень микроРНК сайт, не предотвращал репликацию и передачу вируса гриппа у хорьков, но он ослаблял патогенность гриппа у мышей и, предположительно, у люди. Империале, а позже и Каваока согласились, что это многообещающее решение. подход. Во время своего выступления на Сессии 8 Лэмб также перечислил некоторые меры по смягчению последствий и подходы обратимости, такие как использование:

• Вирусы с лекарственной чувствительностью (если не изучается лекарственная устойчивость)

• Вакцинация штаммов, используемых в качестве генетической основы, если возможно et al., 2013)

• Мутация в многоосновном сайте расщепления ГК (зависит от искомого GOF)

Зыбучие пески исследования «приобретения функции»

В греческой мифологии химера была огнедышащим чудовищем, ужасающей смесью льва, козла и змеи, которая опустошала сельскую местность. В 2015 году вирусологи во главе с Ральфом Бариком из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл сообщили о создании собственной химеры. Они взяли версию коронавируса, ответственного за смертельную вспышку тяжелого острого респираторного синдрома (ТОРС) в начале 2000-х годов, теперь известную как SARS-CoV, и украсили ее поверхностными белками другого коронавируса, взятого у китайских подковоносых летучих мышей. В лаборатории эта конкретная смесь смогла проникнуть в клетки человека, а также вызвать у мышей заболевание 9.0075 1 . Эта химера пришла с сообщением: другие коронавирусы могут вызвать пандемию среди людей. Всего через несколько лет это предупреждение окажется пророческим, поскольку дальний родственник SARS-CoV уже убил более 4,9 миллиона человек во всем мире.

«Вероятно, он не получил должного признания со стороны общего вирусологического сообщества и людей, занимающихся подготовкой к пандемии», — говорит Кэтрин Спиндлер, вирусолог из Медицинской школы Мичиганского университета в Анн-Арборе, которая не участвовала в работа. «Оглядываясь назад, 20:20».

Но исследование 2015 года вызвало широкий интерес по другой причине: некоторые задавались вопросом, стоило ли вообще проводить такой эксперимент. Некоторые считали эту работу примером вирусологии с «приобретением функции», в которой ученые наделяют патогены новыми способностями для их изучения.

Этот термин впервые получил широкую огласку в 2012 году, после того как две группы показали, что они модифицировали вирус птичьего гриппа с помощью генной инженерии и направленной эволюции, чтобы он мог передаваться между хорьками ^{2 , 3} . Многие люди были обеспокоены тем, что публикация работы будет равносильна предоставлению рецепта разрушительной пандемии, и в последующие годы спонсоры исследований, политики и ученые спорили о том, требует ли такая работа более строгого надзора, чтобы кто-то случайно или намеренно не выпустил лабораторию. создал чуму. Исследователи по всему миру добровольно приостановили некоторые работы, но особую политизацию этот вопрос приобрел в США.

Финансовые агентства США, которые также поддерживают исследования за границей, позже наложили мораторий на исследования патогенов с получением новых функций, пока они разрабатывали новые протоколы для оценки рисков и преимуществ. Но многие из нормативных дискуссий происходили вне поля зрения общественности.

Гипотеза об утечке из лаборатории COVID: что знают и чего не знают ученые

Теперь, благодаря SARS-CoV-2 и разгоревшимся спорам о том, откуда он взялся, исследования по улучшению функции снова оказались в центре внимания. Большинство вирусологов говорят, что коронавирус, вероятно, возник в результате повторяющихся контактов между людьми и животными, возможно, в связи с влажными рынками в Ухане, Китай, где впервые было сообщено о вирусе. Но группа ученых и политиков утверждает, что лабораторное происхождение не исключено. Они требуют провести расследование в Уханьском институте вирусологии, где широко изучались родственные коронавирусы летучих мышей, чтобы определить, мог ли SARS-CoV-2 случайно просочиться из лаборатории или попасть в организм человека во время сбора или хранения образцов.

Аргументы выдвинули на первый план вопросы об исследовании усиления функции (GOF). Но классификацию трудно определить точно. «То, что мы подразумеваем под этим термином, зависит от того, кто его использует», — говорит Джеральд Кеуш, заместитель директора Национальной лаборатории новых инфекционных заболеваний Бостонского университета в Массачусетсе.

Здесь Nature пытается объяснить, что представляет собой GOF и что наука и медицина могут извлечь из него.

Значение GOF

Что такое GOF? Дебаты по этому вопросу разгорелись на слушаниях в Сенате США в июле, когда сенатор Рэнд Пол (республиканец, штат Кентукки) и Энтони Фаучи, директор Национального института аллергии и инфекционных заболеваний (NIAID), сошлись во мнениях по поводу 2017 года. paper ⁴ ученых Уханьского института. NIAID поддержал исследование через нью-йоркскую организацию EcoHealth Alliance. И это было сделано в то время, когда финансирование некоторых научных исследований GOF было запрещено. Авторы генетически привили шиповидные белки — вирусные ключи, которые обеспечивают доступ к клеткам млекопитающих — из восьми различных встречающихся в природе коронавирусов в другой коронавирус из дикой природы, называемый WIV1. Они обнаружили, что эти новые творения в лабораторных чашках могут заражать клетки почек обезьян, а также клетки человека через тот же шлюз — широко экспрессируемый рецептор ACE2, который используется SARS-CoV и SARS-CoV-2.

Сенатор Пол настаивал на том, что работа представляет собой GOF. Фаучи был непреклонен, что это не так.

Неудивительно, что политики и ученые расходятся во мнениях относительно значения GOF, поскольку в разных контекстах оно может означать разные вещи. В самом безобидном виде GOF — это классический генетический термин для описания мутаций, которые придают гену, РНК или белку новые способности или паттерны экспрессии. Усиление функции может привести к тому, что бактерии станут более чувствительными к ионам калия ⁵ , например, или Arabidopsis растение с коротким стеблем и курчавыми листьями ⁶ . Дополнительный подход — потеря функции — включает в себя отключение гена, чтобы увидеть, что происходит с организмами, у которых его нет.

Исследование птичьего гриппа: Надзор за биобезопасностью

Термин GOF не имел особого отношения к вирусологии до последнего десятилетия. Затем появились исследования гриппа на хорьках. Пытаясь сообщить федеральному правительству о характере таких исследований, Национальный научный консультативный совет США по биобезопасности (NSABB) позаимствовал этот термин — и он прижился, — говорит Джиджи Гронвалл, специалист по биобезопасности в Школе общественного здравоохранения Блумберга при Университете Джона Хопкинса. Университет в Балтиморе, штат Мэриленд. Из этого использования это стало означать любое исследование, которое улучшает способность патогена вызывать заболевание или распространяться от хозяина к хозяину.

Вирусологи регулярно возятся с вирусными генами, чтобы изменить их, иногда повышая вирулентность или трансмиссивность, хотя обычно только в моделях на животных или культурах клеток. «Люди постоянно проводят все эти эксперименты, — говорит Джульет Моррисон, вирусолог из Калифорнийского университета в Риверсайде. Например, ее лаборатория создала мышиные вирусы, которые более вредны для мышей, чем исходные. Если риску подвержены только мыши, следует ли считать это GOF? И будет ли это волновать?

Обычно нет. Эксперименты Моррисона и многие другие подобные им не представляют большой угрозы для человека. Исследования GOF начинают бить тревогу, когда они касаются опасных патогенов человека, таких как те, которые находятся в списке «избранных агентов» правительства США, который включает вирус Эбола и бактерии, ответственные за сибирскую язву и ботулизм. Другие серьезные опасения вызывают «патогены с пандемическим потенциалом» (PPP), такие как вирусы гриппа и коронавирусы. «По большей части нас беспокоят респираторные вирусы, потому что именно они лучше всего передаются», — говорит Майкл Империале, вирусолог из Медицинской школы Мичиганского университета. Он добавляет, что исследования GOF с этими вирусами являются «действительно крошечной частью» вирусологии.

Но этот небольшой кусочек поля оказался в центре внимания, когда NSABB заговорил о регулировании или мониторинге исследований GOF (см. «Развитие терминологии»). После того, как исследования гриппа хорьков были в конечном итоге опубликованы, исследователи и регулирующие органы изо всех сил пытались определить, какие виды экспериментов должны подвергаться дополнительной проверке как потенциальный риск для биобезопасности.

Развивающаяся терминология

Ученые начали говорить о расширении функций в отношении вирусологии после того, как два исследования гриппа вызвали обеспокоенность по поводу публикации рискованных исследований. Его определение стало более узким по мере развития политики.

Сентябрь 2011 г.

Исследователи представляют работу, демонстрирующую возможность передачи высокопатогенного вируса птичьего гриппа между хорьками.

Январь 2012 г.

Исследователи гриппа добровольно приостанавливают соответствующие эксперименты.

Март 2012 г.

Национальный научный консультативный совет США по биобезопасности (NSABB) рекомендует полную публикацию исследований гриппа с «приобретением функции» (GOF) после того, как ранее предлагалось отредактировать их.

Январь 2013 г.

Исследователи отменяют мораторий на исследования гриппа.

Февраль 2013 г.

Правительство США выпускает основу для аудита исследований GOF по высокопатогенному гриппу.

Октябрь 2014 г.

После серии инцидентов, связанных с обработкой образцов, правительство США приостанавливает финансирование исследований GOF с гриппом и коронавирусами, поскольку оно пересматривает инструменты надзора.

Май 2016 г.

NSABB выпускает новое предложение по надзору с использованием узкого определения вызывающего озабоченность исследования GOF (GOFROC), которое требует оценки.

Декабрь 2017 г.

Правительство США отменяет введенный в 2014 г. запрет на финансирование и публикует новые правила надзора.

Январь 2020 г.

NSABB приступает к пересмотру рекомендаций по обмену информацией об исследовательских предложениях и решениях GOF.

В 2016 году NSABB попытался прояснить ситуацию с помощью нового термина «вызывающее озабоченность исследование с приобретением функции» (GOFROC). Комитет заявил, что эта категория представляет собой исследования, в ходе которых патоген может широко распространяться или вызывать серьезное заболевание у людей. Комитет решил, что это единственный тип работы GOF, который настолько рискован, что потребует дополнительного регулирующего надзора 9.0075 7 . В 2017 году Министерство здравоохранения и социальных служб США (HHS) приняло этот подход при разработке своей системы рассмотрения грантов на патогены с пандемическим потенциалом.

Однако, как показывает словесная перепалка между Полом и Фаучи, терминология до сих пор является предметом горячих споров. Химерные вирусы в исследовании Уханьского института были новыми вирусами, созданными в лаборатории. Но произведенные ими манипуляции не усилили их способность вызывать заболевания у людей. Исходный вирус WIV1 уже мог заражать клетки человека с помощью ACE2. Хотя некоторые ученые утверждали, что работа действительно представляет собой GOF, на момент утверждения исследования оно было оценено NIAID и считалось освобожденным от приостановки финансирования.

На прошлой неделе руководители Национальных институтов здравоохранения США (NIH) сообщили Конгрессу США, что EcoHealth Alliance не информировал агентство об экспериментах в Ухане в 2018 году, которые повысили вирулентность WIV1 у мышей, и что немедленное сообщение о таких результатах было условие финансирования. Представитель EcoHealth Alliance говорит, что данные были представлены в 2018 году и что организация работает над «незамедлительным устранением того, что мы считаем неправильным представлением о требованиях к отчетности по гранту и о том, что показали данные нашего исследования». И EcoHealth Alliance, и NIH заявили, что рассматриваемые вирусы не сыграли никакой роли в появлении SARS-CoV-2 и что исследование не представляет собой GOF. Но продолжающиеся споры вызвали новые вопросы относительно того, оправданы ли такие исследования, и вызвали больше призывов к прозрачности в том, как они рассматриваются и утверждаются.

Примечательно, что комитет HHS, которому поручено рассмотрение потенциальной работы GOFROC, не опубликовал ни одного из своих обсуждений (хотя подробности рассмотрения гранта обычно держатся в секрете).

Только несколько стран имеют национальную политику надзора за потенциально рискованными биомедицинскими исследованиями. И хотя Китай уже давно является участником международных договоров и конвенций по биобезопасности, страна не принимала широкомасштабного законодательства до 2020 года. Его закон, вступивший в силу в апреле этого года, требует одобрения исследований с высокопатогенными микробами провинциальными департаментами здравоохранения или сельские дела. Но закон конкретно не касается исследований GOF, и некоторые эксперты говорят, что правила расплывчаты ⁸ .

Чем может помочь GOF

Несмотря на непрекращающиеся дебаты, многочисленные исследования придали вирусам новые функции, что принесло очевидную пользу науке и медицине. С тех пор, как полиовирус впервые был выращен в культивируемых клетках, ученые адаптировали вирусы к жизни в культуре. Это позволяет производить большое количество вирусного материала для дальнейшего изучения или разработки вакцины. Этот процесс иногда снижает способность патогенов заражать людей. В конце концов, лабораторная чашка не содержит иммунной системы, поэтому вирусы могут упростить свой жизненный цикл, отказавшись от дорогостоящих действий, которые обычно защищают их от атаки хозяина, говорит Стэнли Перлман, врач и вирусолог из Университета Айовы в Айова-Сити.

Ученые также напрямую модифицировали вирусы для создания вакцин; прививки от COVID-19 от Oxford-AstraZeneca и Johnson & Johnson основаны на безвредных для человека аденовирусах, которые были модифицированы для производства спайкового белка SARS-CoV-2. Исследователи также изменили вирусы, чтобы обеспечить генную терапию или лечение рака. «Все эти великие вещи, которые принесут пользу человечеству, — это приобретение функции», — говорит Винсент Раканьелло, вирусолог из Колумбийского университета в Нью-Йорке.

Официальные лица США пересматривают правила раскрытия информации об экспериментах с опасными заболеваниями

Кроме того, ученые регулярно наделяют вирусы способностью заражать новых носителей. Исследования на животных, хотя и сопряженные с собственным набором этических затруднений, позволяют ученым изучать, как работают патогены, и тестировать потенциальные методы лечения, что является необходимым предшественником испытаний на людях. Именно это имели в виду Перлман и его сотрудники, когда приступили к изучению коронавируса, вызывающего ближневосточный респираторный синдром (БВРС-КоВ), который появился в качестве патогена человека в 2012 году. Они хотели использовать мышей, но мыши не могут заразиться. МЕРС.

У грызунов отсутствует правильная версия белка DPP4, который MERS-CoV использует для проникновения в клетки. Итак, команда изменила мышей, дав им человеческую версию гена DPP4. Вирус теперь мог заражать гуманизированных мышей, но была еще одна проблема: даже зараженные мыши не сильно болели. «Наличие модели легкого заболевания не особенно помогает понять, почему люди так болеют», — говорит соавтор исследования Пол МакКрей, детский пульмонолог из Университета Айовы.

Итак, группа использовала классическую технику под названием «пассирование» для повышения вирулентности. Исследователи заразили пару мышей, дали вирусу два дня для закрепления, а затем перенесли часть инфицированной ткани легких другой паре мышей. Они делали это неоднократно — 30 раз ⁹ . К концу двух месяцев вирус развился, чтобы лучше реплицироваться в клетках мыши. При этом мышам стало хуже; высокая доза была смертельной, говорит МакКрей. Это своего рода GOF, потому что вирус стал лучше вызывать болезни. Но такая адаптация патогена к одному животному часто ограничивает его способность заражать других, говорит Эндрю Пекош, вирусолог из Школы общественного здравоохранения Блумберга.

Однако эксперименты сделали вирус поддающимся исследованию, и команда поделилась им и сконструированными мышами с другими. Это привело к большому количеству новых открытий. Например, команда Перлмана обнаружила, что белок иммунной системы, называемый интерфероном, борется с вирусом, по крайней мере, в очень конкретном временном окне ¹⁰ . Это соответствует реакции у людей с SARS-CoV-2, что позволяет предположить, что интерферон в качестве лечения следует применять на ранних стадиях заболевания ¹¹ .

Исследователи также использовали адаптированный для мышей MERS-CoV для тестирования новых вакцин и методов лечения. Сотрудники группы из Айовы протестировали вакцину, представляющую собой гибрид вируса парагриппа с версией шипа MERS-CoV. Вакцина не была очень эффективной при инъекционном введении, но она достаточно хорошо защищала мышей с экспрессией DPP4 от MERS-CoV при введении через нос ¹² . Хотя вспышки MERS не привели к устойчивой передаче, эта информация оказалась ценной в связи с COVID‑19.пандемия: вакцина с таким же дизайном, но против шипа SARS-CoV-2, работает на мышах и хорьках ¹³ и сейчас проходит ранние клинические испытания.

Большие вопросы о GOF

Лечение и вакцины — это явные преимущества, но какие научные знания получены в результате фундаментальных научных экспериментов, которые приближаются к территории GOF или GOFROC, если не пересекаются с ней?

Первоначальный набор экспериментов, которые сделали GOF именем нарицательным, вращался вокруг птичьего гриппа, типа, известного как H5N1. Люди иногда заражаются им от домашней птицы, и это может привести к летальному исходу, но люди обычно не передают вирус друг другу. Однако ученые хотели знать, что для этого потребуется. «Это вопрос, на который вы можете ответить только с помощью эксперимента с приобретением функции», — говорит Анджела Расмуссен, вирусолог из Организации по вакцинам и инфекционным заболеваниям Университета Саскачевана в Саскатуне, Канада.

Команды в США и Японии ² и в Нидерландах ³ решили проверить, может ли птичий вирус эволюционировать в нечто, передающееся от млекопитающих, в данном случае хорьков, уязвимых для заражения респираторными вирусами и являются распространенной животной моделью в исследованиях гриппа. Стратегии исследователей включали в себя создание как специфических, так и случайных мутаций в вирусном геноме, а также передачу патогена через серию хорьков, чтобы стимулировать его адаптацию к новому хозяину — так же, как Маккрей и Перлман сделали с MERS-CoV у мышей. В результате выяснилось, что да, существуют генетические изменения, из-за которых птичий грипп может передаваться от хорька к хорьку 9.0075 2 ^{, 3} . Новые вирусы были ослаблены и не смертельны, но они вызвали значительный шум, поскольку спонсоры науки, регулирующие органы, журналы и другие обсуждали и обсуждали, следует ли вообще публиковать данные.

Правительство США отменяет запрет на исследования опасных патогенов

Насчет того, стоило ли оно того, мнения расходятся. «На мой взгляд, их практическое значение не было чем-то исключительным», — говорит Дэвид Моренс, старший советник директора NIAID. «Они не помогают нам ответить на вопросы о том, может ли H5N1 стать пандемией или что нам нужно будет сделать, чтобы распознать или предотвратить его». (Соответствующие авторы этих двух исследований не ответили или отклонили запросы на интервью от Nature .)

Imperiale думает иначе: «Мы изучили детерминанты передачи млекопитающим», — говорит он. Например, работа подтвердила подозрения, что для того, чтобы вирус гриппа заразил хозяина-млекопитающего, он должен адаптироваться к температуре легких хозяина и pH внутренних отделов этой клетки-хозяина.

Исследования также выявили несколько специфических мутаций, которые могут позволить вирусу птичьего гриппа превратиться в вирус гриппа млекопитающих, что ученые могли наблюдать в популяциях птиц. Однако значение этого несколько спекулятивно. Наблюдение за выращиваемыми на фермах и дикими птицами далеко не универсально, и теоретически птичий грипп может развиться, чтобы заразить людей с помощью совершенно другого набора мутаций.

Что касается коронавируса, то в экспериментах с химерами Барика в 2015 году использовалась версия SARS-CoV, адаптированная для заражения мышей, а не людей, поэтому она может не соответствовать самому строгому определению GOFROC. Химера с шипом от дикого коронавируса под названием SHC014 заражала человеческие клетки не лучше, чем оригинальный SARS ¹ , адаптированный для мышей. Барик не ответил на запросы об интервью от Nature , но в то время авторы писали, что «научные обзорные группы могут счесть аналогичные исследования по созданию химерных вирусов на основе циркулирующих штаммов слишком рискованными». Совсем недавно Барич рассказал MIT Technology Review , что работа не должна рассматриваться как приобретение функции. «Мы сохранили функцию», — сказал Барик, — или даже потеряли функцию, поскольку вирус был менее способен вызывать заболевания у мышей, чем исходный вирус SARS.

Исследования Барика и аналогичные исследования, проведенные исследователями в Ухане, о которых беспокоился Рэнд Пол ⁵ , действительно предсказывали, что коронавирус может перейти к людям и вызвать пандемию, за годы до того, как они оказались верными. Но преимущества выходят за рамки этого, говорит Расмуссен. «Ирония в том, что эти эксперименты и работа, проделанная в Уханьском институте вирусологии, действительно дали нам гораздо больше информации о SARS-CoV-2, чем мы могли бы иметь».

Например, Барик указал на работу в своей лаборатории, предполагающую, что ремдесивир, препарат, который в то время разрабатывался для борьбы с лихорадкой Эбола, может быть потенциальным средством для лечения коронавирусной инфекции. В этом случае химеры не использовались, но исследователи работали с несколькими естественными коронавирусами летучих мышей, которые они реконструировали в лаборатории. Команда обнаружила ¹⁴ , что препарат защищает клетки человека от этих вирусов, а также от SARS-CoV и MERS-CoV. Это также уменьшило симптомы у мышиной модели, инфицированной SARS-CoV. Ремдесивир быстро применили к людям с COVID‑19и до сих пор является основным противовирусным средством, хотя клинические результаты неоднозначны.

Во всем мире эксперименты с GOFROC, вероятно, останутся редкостью. Но некоторые вирусологи могут предвидеть ценные эксперименты с SARS-CoV-2, которые можно было бы считать GOF. Например, Моррисон считает, что эксперименты по поиску мутаций, которые делают SARS-CoV-2 устойчивым к вакцинам или методам лечения, могут быть полезными, чтобы ученые могли лучше подготовиться к появлению таких вариантов. И поскольку ученые пытаются создать вакцины, которые работают против всех коронавирусов, может быть полезно проверить способность вакцин защищать от заражения химерными вирусами, которые включают шипы от различных диких образцов, предполагает Стивен Гольдштейн, изучающий эволюцию вирусов в Университете США. Юта в Солт-Лейк-Сити. Фактически, Барик уже испытал одну потенциальную вакцину против гибрида SARS-CoV, адаптированного для мышей, и коронавируса летучих мышей 9.0075 15 .

Непрекращающиеся политические дебаты привели к тому, что некоторые вирусологи не осмеливаются даже предлагать исследования, которые можно было бы считать GOF, говорит Пекош. Некоторые даже боятся говорить об этом публично. Опрос, проведенный организацией Nature , опубликованный ранее в этом месяце, показывает, что ученые, которые высказываются по темам, связанным с происхождением COVID-19, часто подвергаются преследованиям.

При всех проблемах, присущих исследованиям GOF, зачем их проводить? Потому что, по словам некоторых вирусологов, вирусы постоянно мутируют сами по себе, эффективно проводя эксперименты GOF со скоростью, с которой ученые никогда не смогут сравниться.