Una cuasiespecie viral es una estructura poblacional de virus con una gran cantidad de genomas variantes (relacionados por mutaciones). Las cuasiespecies resultan de altas tasas de mutación , ya que los mutantes surgen continuamente y cambian en frecuencia relativa a medida que avanza la replicación y selección viral . [1]
La teoría predice que una cuasiespecie viral en una región baja pero evolutivamente neutral y altamente conectada (es decir, plana) en el paisaje de aptitud superará a una cuasiespecie ubicada en un pico de aptitud más alto pero más estrecho en el que los mutantes circundantes no son aptos. [2] [3] Este fenómeno ha sido llamado "el efecto cuasiespecie" o, más recientemente, "supervivencia de los más planos". [4]
El término cuasiespecie se adoptó a partir de una teoría del origen de la vida en la que los replicones primitivos consistían en distribuciones mutantes, como se ha encontrado experimentalmente con los virus de ARN actuales dentro de su huésped . [5] [6] La teoría proporcionó una nueva definición de tipo salvaje al describir virus y un marco conceptual para una comprensión más profunda del potencial adaptativo de los virus de ARN que la que ofrecen los estudios clásicos basados en secuencias de consenso simplificadas . [1]
El modelo de cuasiespecie es más aplicable cuando el tamaño del genoma es limitado y la tasa de mutación es alta, por lo que es más relevante para los virus de ARN (incluidos patógenos importantes ) porque tienen altas tasas de mutación (aproximadamente un error por ronda de replicación) , [7 ] aunque los conceptos pueden aplicarse a otras entidades biológicas, como los virus de ADN con transcripción inversa, como la hepatitis B. [8] En tales escenarios, las distribuciones complejas de genomas variantes estrechamente relacionados están sujetas a variación genética , competencia y selección , y pueden actuar como una unidad . de selección . Por tanto, la trayectoria evolutiva de la infección viral no puede predecirse únicamente a partir de las características de la secuencia más apta. Las altas tasas de mutación también imponen un límite superior compatible con la información heredable. Cruzar ese límite conduce a la extinción del virus ARN , una transición que es la base de un diseño antiviral denominado mutagénesis letal y de relevancia para la medicina antiviral. [1]
La relevancia de las cuasiespecies en virología ha sido objeto de un amplio debate. Sin embargo, los análisis clonales estándar y las metodologías de secuenciación profunda han confirmado la presencia de innumerables genomas mutantes en poblaciones virales y su participación en procesos adaptativos . [1]
La teoría de las cuasiespecies fue desarrollada en la década de 1970 por Manfred Eigen y Peter Schuster para explicar la autoorganización y la adaptabilidad de los replicones primitivos (un término utilizado para referirse a cualquier entidad replicante), como un ingrediente de las organizaciones hipercíclicas que vinculan la información genotípica y fenotípica , como un paso esencial en el origen de la vida. [11] [9] La teoría retrataba a las primeras poblaciones de replicones como espectros mutantes organizados dominados por una secuencia maestra, la que estaba dotada de la mayor aptitud (capacidad replicativa) en la distribución. Introdujo la noción de un conjunto mutante como unidad de selección, enfatizando así la relevancia de las interacciones intrapoblacionales para comprender la respuesta a las restricciones selectivas . Uno de sus corolarios es la relación del umbral de error , que marca la tasa de mutación máxima a la que la secuencia maestra (o dominante) puede estabilizar el conjunto mutante. La violación del umbral de error da como resultado la pérdida de dominio de la secuencia maestra y la deriva de la población en el espacio de secuencia . [9] [12] [13] [14]
Los conceptos básicos de las cuasiespecies se describen mediante dos ecuaciones fundamentales: la replicación con producción de copias de error y la relación del umbral de error. Captan dos características principales de los virus de ARN a nivel poblacional: la presencia de un espectro mutante y el efecto adverso de un aumento de la tasa de mutación en la supervivencia del virus, cada uno con varias derivaciones. [1]
La existencia de un espectro mutante se demostró experimentalmente primero mediante análisis clonales de poblaciones de bacteriófagos de ARN Qβ cuya replicación había sido iniciada por una sola partícula de virus. Los genomas individuales diferían de la secuencia consenso en un promedio de una o dos mutaciones por genoma individual. [15] La aptitud de los clones biológicos fue inferior a la de la población parental no clonada, una diferencia también documentada para el virus de la estomatitis vesicular (VSV). [16] La capacidad replicativa de un conjunto de población no tiene por qué coincidir con la de sus componentes individuales. El descubrimiento de que una población viral era esencialmente un conjunto de mutantes se produjo en un momento en que las mutaciones en la genética general se consideraban eventos raros y los virólogos asociaban un genoma viral con una secuencia de nucleótidos definida , como todavía hoy se da a entender en el contenido de los bancos de datos . [17] La naturaleza de nube de Qβ se entendió como consecuencia de su alta tasa de mutación, calculada en 10 −4 mutaciones introducidas por nucleótido copiado, [18] junto con la tolerancia de los genomas individuales para aceptar una proporción indeterminada de las mutaciones recién emergentes. a pesar de los costos de fitness. Se ha confirmado la tasa de error estimada para el bacteriófago Qβ y es comparable a los valores calculados para otros virus de ARN. [7] [19]
Se verificaron altas tasas de mutación y cuasiespecies para otros virus de ARN basándose en la disección de poblaciones virales mediante clonación molecular o biológica y en el análisis de secuencias de clones individuales. John Holland y sus colegas fueron los primeros en reconocer que un mundo de ARN en rápida evolución insertado en una biosfera basada en ADN tenía múltiples implicaciones médicas y evolutivas. [1] [16] [20] [21] [22] Durante muchas décadas se había sospechado de la plasticidad del genoma de los virus de ARN. Las primeras observaciones clave fueron las variaciones en los rasgos virales descritos por Findley en la década de 1930, los estudios de Granoff sobre las transiciones de la morfología de la placa del virus de la enfermedad de Newcastle o la alta frecuencia de conversiones entre resistencia y dependencia a medicamentos en el virus Coxsackie A9 , entre otros estudios con animales. y virus de plantas a mediados del siglo XX. [23] Cuando se ponen en el contexto del conocimiento actual, nos damos cuenta de que estas observaciones sobre los cambios fenotípicos fueron la punta del iceberg de una realidad extremadamente compleja de las poblaciones virales. Los virus de ARN se caracterizan por altas tasas de mutación y heterogeneidad poblacional, con consecuencias para la patogénesis viral y el control de la enfermedad viral. Se han realizado estudios detallados sobre la dinámica de cuasiespecies in vivo con el virus de la inmunodeficiencia humana tipo 1 (VIH-1) y el virus de la hepatitis C. [10] [24] [25]
La primera formulación matemática de cuasiespecies fue determinista; supuso distribuciones mutantes en estado estacionario en equilibrio genético sin perturbaciones derivadas de modificaciones del medio ambiente o del tamaño de la población . [26] Estas condiciones son comunes en las formulaciones teóricas iniciales de fenómenos complejos porque confieren manejabilidad matemática. Desde entonces, se han desarrollado varias extensiones de la teoría a condiciones de no equilibrio con componentes estocásticos, con el objetivo de encontrar soluciones generales para paisajes de fitness con múltiples picos . Estos objetivos aproximan las cuasiespecies al caso real de los virus de ARN, que se ven obligados a hacer frente a variaciones dramáticas en el tamaño de la población y el entorno. [27] La investigación sobre cuasiespecies ha avanzado a través de varias vías teóricas y experimentales que incluyen estudios continuos sobre la optimización evolutiva y el origen de la vida, las interacciones ARN-ARN y las redes replicadoras, el umbral de error en paisajes de aptitud variable, la consideración de la mutagénesis química y los mecanismos de corrección. , evolución de células tumorales , poblaciones bacterianas o células madre , inestabilidad cromosómica , resistencia a fármacos y distribuciones de conformación en priones (una clase de proteínas con potencial patogénico dependiente de la conformación; en este caso la cuasiespecie se define por una distribución de conformaciones). [10] [28] Los nuevos aportes a la investigación experimental de cuasiespecies provienen de la secuenciación profunda para sondear poblaciones virales y celulares, el reconocimiento de interacciones dentro de espectros mutantes, modelos de dinámica de poblaciones virales relacionados con la progresión de enfermedades y la transmisión de patógenos, y nuevas enseñanzas de variantes de fidelidad. de virus. [28] Aquí resumimos los aspectos principales de la dinámica de las cuasiespecies y los desarrollos recientes relevantes para la evolución y patogénesis de los virus.
La base molecular de las altas tasas de error es la fidelidad limitada de copia de plantillas de las ARN polimerasas dependientes de ARN (RdRps) y de las ADN polimerasas dependientes de ARN (también denominadas transcriptasas inversas, RT). Además, estas enzimas son defectuosas en la corrección de pruebas [29] porque carecen de un dominio exonucleasa de 3' a 5' presente en las ADN polimerasas celulares replicativas. [30] Además, las vías de reparación posreplicativa, abundantes para corregir lesiones genéticas en la replicación del ADN celular, parecen ineficaces para el ARN bicatenario o los híbridos de ARN-ADN. La presencia de una actividad de corrección y reparación en los coronavirus aumenta su precisión de copia en aproximadamente 15 veces. [31] Esta y otras actividades de reparación, que pueden actuar sobre ARN estándar o genomas retrovirales , [32] [33] [34] [35] no previenen la formación de espectros mutantes, aunque su amplitud puede ser menor que para otros ARN. virus, al menos en poblaciones cercanas a un origen clonal (genoma único). La dinámica de cuasiespecies operará en cualquier sistema viral o celular en el que debido a altas tasas de mutación (como resultado de polimerasas de ácidos nucleicos de baja fidelidad o alteraciones ambientales) se generen rápidamente espectros mutantes. [10] [36] [37] [38] [39] [40]
Los estudios con diferentes sistemas virus-huésped han establecido algunas observaciones generales sobre los mecanismos de generación de mutantes y las implicaciones de la dinámica de las cuasiespecies. [10] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] En la genética de los virus ARN cuando hablamos de “un mutante” la entidad que manejamos es una nube de mutantes en la que la mutación específica a la que dirigimos nuestra atención está presente en todos (o en la gran mayoría) de los genomas individuales. No existe tal cosa como un virus "salvaje" o "un" mutante. Siempre son nubes de mutantes. Los cambios en el dominio relativo de los componentes de los espectros mutantes son particularmente graves durante las infecciones in vivo , con una dinámica compleja de heterogeneidad y variaciones dentro del huésped. Se han desarrollado procedimientos bioinformáticos para revelar las relaciones entre tipos de genomas diferentes pero estrechamente relacionados que pueden sugerir algún orden jerárquico de adquisición de mutaciones o identificación de grupos de transmisión (ejemplos son el Análisis de Partición de Cuasiespecies , PAQ [51] o QU asisespecies Evolución ) . , Inferencia de transmisión basada en red , QUENTIN [52] ).
El quid de la cuestión con respecto a las implicaciones de las cuasiespecies es que, en un momento dado, la población viral incluye un reservorio no sólo de variantes genotípicas sino también fenotípicas , lo que confiere a la población cierta pluripotencia adaptativa . La acumulación de evidencia clínica y de laboratorio hace insostenible que los componentes minoritarios de los espectros mutantes deban descartarse por ser neutrales . Pueden participar en procesos selectivos y no pueden excluirse de las interpretaciones del comportamiento de los virus. La variación implica universalmente mutaciones puntuales y también puede incluir recombinación (en sus modos replicativo y no replicativo) y reordenamiento de segmentos del genoma . [42] Todos los modos de variación molecular son compatibles, sólo restringidos por el alcance de los mecanismos accesibles a la maquinaria replicativa y por la necesidad de que los genomas virales sigan siendo funcionales. David Evans y sus colegas identificaron muchos eventos de recombinación asociados con la replicación de enterovirus , y sólo unos pocos recombinantes lograron avanzar hacia una replicación continua. [53] La recombinación puede mediar en la adaptabilidad y la virulencia . [54] Las altas tasas de mutación y recombinación han llevado a la distinción conceptual entre variación mecánicamente inevitable y variación evolutivamente relevante, en conexión con la cuestión de la naturaleza clonal versus no clonal de la evolución de los virus (evolución microbiana en general). [55] [56] Sólo una minoría de la variación naciente durante la replicación puede propagarse con éxito. Dentro de los límites establecidos por las limitaciones biológicas, cada población está formada por una serie de genomas variantes, con un número total proporcional al tamaño de la población del virus. Infectar una planta, un animal o un cultivo celular con 10 3 unidades infecciosas puede tener consecuencias muy diferentes que infectar con 10 10 unidades infecciosas, no sólo porque los sistemas de defensa del huésped pueden verse abrumados por la alta dosis infecciosa, sino también porque el repertorio mutante que se involucra en exploraciones adaptativas es mayor. Parte de las variantes de un espectro mutante, ya sea de forma aislada o en consorcio con otras, [57] pueden comportarse mejor que otros miembros de la misma población en caso de un cambio ambiental. Las presiones selectivas favorecen la replicación de algunos componentes de un espectro mutante sobre otros, a pesar de que todos ellos están interconectados por mutación. El rendimiento diferencial puede estar al nivel de los genomas virales (durante la replicación, la expresión genética intracelular)., interacción con factores del huésped, etc.) o partículas virales (para estabilidad térmica, entrada o salida de las células, para resistir anticuerpos neutralizantes, etc.). [22] [10] [23] [24] [25] [42] [43] [44] La adaptabilidad de los virus de ARN está vinculada a parámetros que facilitan la exploración del espacio de secuencia: tamaño del genoma (1,8 a 33 Kb), tamaño de la población (variable pero que puede alcanzar la impresionante cifra de 10 12 genomas individuales en un huésped infectado en un momento dado), tasa de replicación, tasa de mutación, fecundidad (rendimiento de partículas virales por célula) y número de mutaciones requeridas para un cambio fenotípico (sorprendentemente bajo). para varios rasgos relevantes [58] ).
La dinámica del espectro mutante se ha representado de diferentes maneras, y hemos elegido una que abarca eventos frecuentes en poblaciones naturales y diseños de investigación, como el aislamiento del virus de un huésped infectado, la adaptación a cultivos celulares para estudios sobre la evolución experimental o la adaptación a huéspedes alternativos. en vivo. La realidad es aún más compleja, dado el gran tamaño de la población, con una proporción indeterminada de genomas que se replican activamente en un momento dado (a veces equiparado con el tamaño efectivo de la población en genética general) y que albergan múltiples mutaciones por genoma. Los escenarios sugeridos por los datos experimentales actuales desafían nuestra imaginación. La frecuencia relativa de las mutaciones individuales fluctúa en una exploración incesante del espacio de secuencia, [59] [60] [10] siendo los cambios fenotípicos (no sólo cambios genotípicos) mucho más frecuentes de lo que se pensaba anteriormente. El diseño de evolución experimental que consiste en hacer pasar poblaciones virales durante largos períodos de tiempo (muchas infecciones secuenciales) suele ser extremadamente revelador. En el virus de la fiebre aftosa (FMDV), este diseño condujo a una notable diversificación fenotípica en subpoblaciones de colonizadores y competidores, que moduló la virulencia del conjunto mutante. [61] En el VHC, tal diseño reveló ondas de mutación continuas y una comprensión más precisa de los tipos de paisajes de aptitud ocupados por virus de alta aptitud. [60] [62]
La secuencia de nucleótidos de un genoma individual de una población (sin importar cuál sea el grado de complejidad de la población) puede determinarse luego de un evento de clonación biológica o molecular o mediante una secuenciación profunda de genomas virales completos, de manera que el enlace de mutación ( se puede establecer la asignación de diferentes mutaciones a la misma molécula del genoma). Cada uno de estos procedimientos implica algunas limitaciones: la clonación biológica puede sesgar la representación a favor de genomas infecciosos, mientras que la clonación molecular puede introducir genomas no infecciosos (defectuosos) en el análisis. [22] [58] [59] La descripción de cuasiespecies del genoma completo sigue siendo un desafío técnico debido a la introducción artificial de mutaciones. La mayoría de las plataformas de secuenciación profunda actuales producen secuencias de lecturas cortas para un amplicón determinado (secuencia bajo análisis); las mutaciones minoritarias en un amplicón no pueden vincularse de manera confiable con mutaciones en un amplicón diferente del mismo genoma; a lo sumo, se pueden proponer inferencias estadísticas sobre la vinculación. A pesar de estas limitaciones, los experimentos de control y las mejoras de los procedimientos bioinformáticos respaldan que la mayoría de la heterogeneidad de secuencias analizadas en poblaciones virales refleja diferencias en las poblaciones modelo naturales. Si la vinculación de mutaciones puede resolverse de forma rutinaria, entrará en escena una nueva ola de información molecular relevante para las interacciones epistáticas.
Existen niveles adicionales de indeterminación en el análisis secuencial de poblaciones virales, en particular aquellas que se replican in vivo. Los componentes del espectro mutante representados en un momento dado en la muestra tomada para la secuenciación pueden diferir de los del siguiente momento, debido a incertidumbres en el muestreo o a fluctuaciones genuinas de las frecuencias del genoma. No está justificado aceptar una similitud aproximada porque incluso una sola mutación en un contexto de secuencia determinado puede afectar las propiedades biológicas. [10] En palabras de John Holland y sus colegas: "Es importante recordar que cada enjambre de genomas de cuasiespecies en un individuo infectado es único y "nuevo" en el sentido de que nunca antes ha existido una población idéntica de genomas y ninguna de ellas existirá. volver a existir". [63] Además de la naturaleza fugaz de cualquier distribución mutante, los métodos estándar disponibles para la caracterización de cuasiespecies proporcionan secuencias genómicas de una minoría de la población (estimadas en 10 −8 a 10 −13 para la clonación molecular-secuenciación de Sanger, y en 10 −6 a 10 −11 para secuenciación profunda). [58] Sólo podemos tener una representación aproximada de las poblaciones virales y su dinámica, como lo demuestran muchos estudios experimentales. [15] [20] [10] [43] [44] [58] [60] [64]
Los puntos resumidos en secciones anteriores justifican plenamente abordar herramientas analíticas hacia el espectro mutante en lugar de ignorarlo o considerar su presencia como una cuestión secundaria. El uso de secuencias consenso para describir el genoma de un virus aislado, a pesar de estar justificado por las dificultades de transmitir la información recapitulada en un espectro mutante, desdibuja y debilita las interpretaciones biológicas. Los resultados experimentales han demostrado que los genomas minoritarios de un espectro mutante (que no pueden identificarse examinando la secuencia consenso) pueden incluir mutaciones que confieren resistencia a inhibidores antivirales , anticuerpos neutralizantes o células T citotóxicas , o que pueden alterar la capacidad de inducir interferón (IFN). ) o para responder a IFN, virulencia o estabilidad de partículas, entre otros rasgos fenotípicos. [10] [42] [46] [60] [64] [65] [66] [67] Los espectros mutantes también pueden mediar la adaptación cíclica a diferentes tipos de células. [41] Un espectro mutante define un consenso, pero el consenso es una abstracción; puede que no esté representado en la población. Muchos eventos en la patogénesis y evolución viral se deben a modificaciones o interacciones del espectro mutante que no pueden interpretarse adecuadamente únicamente sobre la base de secuencias consenso. [15] [10] [22] [23] [28] [41] [40] [43] [44] [53] [54] [57] [60] [63]
Los espectros de mutantes no son meros agregados de mutantes que actúan de forma independiente. A menudo participan en respuestas colectivas. [1] Dos tipos principales son los que dependen de la presencia de conjuntos de variantes y los que dependen de interacciones del espectro intramutante.
En algunos casos de selección amplia (selección muy fuerte para un rasgo), un individuo (o un número limitado de individuos) que codifica firmas propensas a ser seleccionadas, puede acercarse a la dominancia y al mismo tiempo convertirse en el fundador de una nube mutante (debido a la formación de una nube). es inherente a la replicación). Las condiciones para la dominancia (en este caso en respuesta a la selección) son que el genoma sienta el barrido selectivo y que se permita su replicación en el nuevo entorno selectivo. En otros casos, se selecciona una colección de mutantes. Esto se ilustró con una cuasiespecie del virus de la fiebre aftosa que se reconstruyó en el laboratorio con múltiples variantes antigénicas (cada una de baja frecuencia) que pertenecían a dos categorías diferentes y compartían resistencia al mismo anticuerpo monoclonal . [68] Una categoría incluía mutantes con una sustitución de aminoácidos que afectaba el reconocimiento del receptor (ya que el determinante antigénico se superponía con el sitio de reconocimiento del receptor de integrina ); en la otra categoría, las sustituciones afectaron al determinante antigénico pero no al sitio de reconocimiento del receptor. Los pases del virus en ausencia del anticuerpo monoclonal dieron como resultado el predominio de variantes antigénicas que mantuvieron la capacidad de reconocimiento del receptor, pero las variantes dominantes estaban rodeadas por una nube de mutantes de la otra categoría de variantes antigénicas. Por el contrario, los pases en presencia del anticuerpo condujeron a la selección de variantes con reconocimiento de receptor alterado, rodeadas por una nube de variantes antigénicas que mantenían el reconocimiento de receptor. Los resultados subrayaron el papel de las nubes mutantes en eventos selectivos y revelaron un nuevo mecanismo de flexibilidad antigénica. [68]
La memoria de cuasiespecies es un tipo de memoria molecular que depende de la historia reciente del linaje evolutivo y de la integridad del espectro mutante. [69] [70] La búsqueda de la memoria fue impulsada por el complejo comportamiento del sistema adaptativo de una cuasiespecie viral, sugerido por la presencia de información central (considerada la que define la identidad viral) a pesar de la variación de los elementos constitutivos (el espectro mutante). Un ejemplo bien conocido es la memoria en el sistema inmunológico que moviliza y expande componentes minoritarios en respuesta a estímulos que el sistema enfrentaba previamente. [71] En los experimentos diseñados para identificar la memoria en cuasiespecies virales, los miembros del espectro mutante aumentaron en frecuencia como consecuencia de su replicación durante un evento de selección que los llevó hacia la dominancia. Cuando se retiró la restricción selectiva, los genomas de memoria permanecieron en niveles que eran de 10 a 100 veces más altos que los niveles basales atribuibles únicamente a su generación por mutación, como se documentó con marcadores genéticos independientes del VFA y con el VIH-1 in vivo . [69] [70] [72] [73] Por lo tanto, la memoria es una propiedad colectiva de la cuasiespecie que depende de la historia y que confiere una ventaja selectiva para responder a los cambios ambientales previamente experimentados por el mismo linaje evolutivo. Sólo puede manifestarse si el espectro mutante mantiene su integridad, ya que la memoria se pierde cuando la población sufre un evento de cuello de botella que excluye a las minorías. Un ejemplo relevante de las consecuencias de la memoria se produce en la farmacología antiviral con la administración por segunda vez del mismo agente antiviral o de uno relacionado (capaz de evocar mutaciones de resistencia compartidas) utilizado en un tratamiento previo. La segunda intervención puede enfrentar genomas de memoria resistentes a inhibidores del tratamiento anterior, contribuyendo así al escape del virus. [69] Este es un aspecto que no ha recibido la atención adecuada en la planificación de intervenciones antivirales para pacientes que fracasan en un primer tratamiento y deben ser sometidos a un segundo tratamiento.
Los genomas individuales rodeados por una nube de mutantes relacionados pueden suprimirse para mantenerlos en baja frecuencia o ayudar a mantenerse en la población. Los dos destinos alternativos dependen de varios factores, uno de los cuales es el espectro mutante circundante en aquellas etapas del ciclo infeccioso en las que se establece una competencia efectiva entre variantes, por ejemplo dentro de complejos de replicación. Este importante concepto se derivó primero teóricamente [12] [74] y luego se abordó experimentalmente con varios virus. En un estudio inicial, Juan Carlos de la Torre y John Holland describieron la supresión del VSV de alta aptitud por espectros mutantes de aptitud inferior. [12] Desde entonces se han documentado efectos supresores en poblaciones virales estándar y mutagenizadas. Algunos ejemplos son:
Lo opuesto a la supresión es el mantenimiento de un mutante, ya sea mediante una posición favorable en un panorama de aptitud física o mediante interacciones de complementación o cooperación con miembros del espectro mutante. La posición en un panorama de fitness influye en la vulnerabilidad a las mutaciones, como se popularizó con los términos "ventaja de los más planos" o "supervivencia de los más planos", lo que indica que una variante situada en la cima de un pico agudo de fitness tiene una mayor probabilidad de disminuir el fitness a medida que como resultado de nuevas mutaciones que la misma variante ubicada en una meseta de aptitud . [3] [81] [82] La supervivencia del más plano también se ha propuesto como un ingrediente en algunos modelos del umbral de error. [83]
Se documentó el comportamiento colectivo de los virus con virus de ARN mutantes resistentes a análogos de nucleótidos. El estudio de esta clase de mutantes ha sido fundamental para la comprensión de las bases moleculares de la fidelidad de la copia de plantillas y las consecuencias de las alteraciones de la fidelidad en la capacidad adaptativa y el potencial patogénico de los virus de ARN. [84] [85] [86] En el primer mutante estudiado, la sustitución del aminoácido G46S en la polimerasa PV dio como resultado un aumento de aproximadamente cuatro veces en la fidelidad de copia de la plantilla. Esta modificación redujo la adaptabilidad de PV y el potencial infeccioso in vivo. [84] [85] El mutante aislado no se replicó eficientemente en el cerebro de ratones susceptibles, pero sí lo hizo cuando su espectro mutante se amplió mediante mutagénesis con 5-fluorouracilo o cuando se coinoculó con PV de tipo salvaje. [85]
La complementación (que a menudo ocurre cuando una proteína funcional codificada por un conjunto de genomas es utilizada por otro conjunto de genomas cuya proteína codificada no es funcional) puede ser la base de algunas respuestas colectivas de cuasiespecies, como que la aptitud de los individuos aislados de una población sea inferior a la aptitud de las cuasiespecies. población. [15] [30] Se describió la complementación entre dos formas genómicas truncadas del virus de la fiebre aftosa. [87] Los genomas con deleciones internas se volvieron detectables tras el paso de alta multiplicidad de una población clonal de FMDV estándar, un virus con un genoma de ARN monocatenario monopartito. La infectividad se generó mediante la complementación de las dos formas truncadas, en ausencia de genomas estándar de longitud completa del virus de la fiebre aftosa. Para que la complementación fuera efectiva, era un requisito la exploración previa del espacio de secuencias a través de mutaciones puntuales. [88] El sistema experimentó una notable transición evolutiva similar a la segmentación del genoma. Las lesiones genéticas drásticas en los genomas virales son difíciles de observar a menos que un mecanismo como la complementación rescate los genomas desviados. Se han informado ejemplos adicionales de complementación entre virus de ARN. [89] [90] [91] [42] [44] La complementación es un medio para mantener genomas defectuosos en frecuencias detectables en poblaciones virales.
Se ha hecho una distinción entre complementación y cooperación, en la que dos genomas diferentes dan lugar a un nuevo fenotipo mediante la interacción entre dos proteínas variantes. [92] Un ejemplo de cooperación se caracterizó durante los estudios con el virus del sarampión en la fusión de membranas, que es esencial para la entrada del virus en las células. Para este virus la fusión está mediada por dos proteínas denominadas H y F. Una H truncada era deficiente en la fusión celular pero la actividad se recuperaba cuando la H truncada iba acompañada de dos formas de F pero no de una de las formas individualmente. [92]
Por lo tanto, la complementación, la cooperación, la interferencia y la supresión pueden surgir de interacciones entre componentes de espectros mutantes que tienen su origen en mutaciones aleatorias. La selección actúa sobre cualquier conjunto de mutantes que pueda proporcionar un rasgo útil, para convertir sucesos aleatorios en significado biológico.
Un medio para interrumpir la participación de los genomas individuales en las interacciones con su espectro mutante es que el enjambre de cuasiespecies sufra reducciones drásticas en el tamaño de la población que aíslen uno o pocos genomas individuales de su entorno. Estas reducciones se denominan cuellos de botella y tienen una participación importante en la configuración de los linajes evolutivos de todo tipo de organismos, y también de los virus. Ocurren con frecuencia no sólo en la transmisión de huésped a huésped sino también dentro de huéspedes infectados, [93] [94] [95] y pueden perturbar eventos de selección positivos y negativos en procesos que son difíciles de identificar y caracterizar.
Se han reproducido eventos de cuello de botella drásticos con poblaciones de virus de laboratorio en forma de transferencias de placa a placa. [96] [97] Este diseño sirvió para verificar experimentalmente el funcionamiento del trinquete de Müller , o disminución de la aptitud física mediante la incorporación irreversible de mutaciones en organismos asexuales en ausencia de mecanismos compensatorios. [98] Las transferencias seriales de cuello de botella revelaron la presencia de mutaciones raras, no observadas en el laboratorio estándar o en poblaciones virales naturales. En ausencia de eventos de cuello de botella forzados, estas mutaciones raras se perderían por selección negativa debido a su costo de aptitud. [99] La investigación de cómo los clones de FMDV debilitados por el trinquete de Müller recuperaron su aptitud replicativa reveló varias vías moleculares alternativas para la recuperación de la aptitud. [100] Las implicaciones de esta observación pasaron en gran medida desapercibidas hasta que resultados recientes con el virus de la hepatitis C (VHC) también sugirieron la accesibilidad de múltiples vías para mejorar la condición física. [60] [62] Además, el paso extenso de un clon biológico de FMDV en células BHK-21 confirió la capacidad de infectar varias líneas celulares humanas además del aumento esperado de la aptitud para la multiplicación en células BHK-21. [101] Por lo tanto, varias líneas de evidencia sugieren que la ganancia de aptitud física en un entorno específico puede, paradójicamente, ampliar el potencial fenotípico de un virus. Será interesante investigar si la adaptación focalizada de otros virus a un entorno específico también puede implicar una ampliación de la diversidad, con muchas variantes fenotípicas que alcanzan niveles de aptitud similares. Si se generaliza, esta ampliación del espacio fenotípico proporcionaría una nueva interpretación de las bases moleculares de la adaptación y explicaría por qué la adaptación a entornos alternativos puede no conducir a la atenuación .
La privación de un virus individual de una posible supresión, complementación o cooperación puede representar una liberación para iniciar un nuevo proceso evolutivo, o una condena a la extinción. Si se libera de la supresión, el genoma aislado debe replicarse y poder reconstruir una nube mutante para recuperar la capacidad de adaptación. Esto ha llevado a sugerir que las altas tasas de mutación evolucionaron para permitir la recuperación del espectro mutante después de los cuellos de botella. Otros modelos atribuyen las altas tasas de mutación a la optimización adaptativa independiente de los cuellos de botella, o a una consecuencia mecanicista de la rápida replicación. [58] Cualesquiera que sean sus orígenes finales, las altas tasas de mutación sirven para la adaptación en múltiples circunstancias, no sólo después de cuellos de botella. Un virus fundador puede introducir un fenotipo diferente para la evolución posterior. La evolución de los virus en la naturaleza y como agentes patógenos puede verse como una sucesión de alteraciones del espectro mutante, sujetas a expansiones y reducciones del tamaño de la población en una interacción continua de selección positiva y negativa y deriva aleatoria. Si bien la evolución a corto plazo (por ejemplo, dentro del huésped) es observable y mensurable, los virus pueden parecer relativamente estáticos a largo plazo durante décadas (como se observa con las variantes antigénicas del virus de la fiebre aftosa [102] ) o más. La evolución dentro del huésped es generalmente más rápida que la evolución entre huéspedes, como se documenta con los virus [10] y otros sistemas biológicos. [103] La invariancia aparente puede ser el resultado de la selección para la supervivencia a largo plazo de poblaciones que previamente han probado frenéticamente resultados evolutivos en procesos a corto plazo. [58]
Poco después de que se evidenciaran las cuasiespecies para los virus, se hicieron explícitas algunas implicaciones médicas. [20] [104] Varios puntos específicos y generales a continuación. [10] [43] [66] [28]
En todas las interacciones que conducen a enfermedades, las células huésped individualmente y como grupos en tejidos y órganos desempeñan un papel decisivo. Las consecuencias de una infección viral siempre dependen del huésped. Sin embargo, el virus en sí plantea un desafío importante que una comprensión más profunda de la dinámica de las cuasiespecies está ayudando a enfrentar. [28]
Existe una percepción cada vez mayor de que los principios darwinianos deberían ayudar en la planificación de diseños antivirales. [105] El objetivo de la vacunación es provocar una respuesta protectora que prevenga la replicación del virus o la enfermedad. El objetivo de una intervención farmacológica antiviral es inhibir la replicación del virus para brindarle al sistema inmunológico la oportunidad de eliminarlo. En pocas palabras, el peligro directo para la vacunación y el tratamiento es que el virus pueda escapar mediante la selección de mutantes resistentes a los componentes de defensa activados por la vacuna o a los inhibidores administrados externamente. Esto ha dado lugar a varias propuestas para afrontar las enfermedades virales, que se pueden resumir a continuación. [58]
Las vacunas deben incluir repertorios de epítopos de células B y T para provocar una respuesta inmune amplia . La respuesta amplia debería minimizar la selección de mutantes de escape que pueden estar presentes como componentes minoritarios en los espectros de mutantes, como se ha documentado experimentalmente repetidamente. [10] [22] [44] [69] Con los tipos de vacunas disponibles actualmente, las que mejor cumplen con el requisito de epítopos múltiples son, en el orden de eficacia esperada para conferir protección contra virus altamente variables: virus atenuado > virus completo inactivado . > varias proteínas expresadas > una proteína expresada > múltiples antígenos peptídicos sintéticos > antígeno peptídico único. La escasez de vacunas sintéticas eficaces para patógenos virales de ARN a pesar de los enormes esfuerzos científicos y económicos es un reflejo de los problemas subyacentes.
Se debe evitar la monoterapia antiviral (uso de un único agente antiviral). Se han hecho las siguientes recomendaciones y en algunos casos se han implementado con éxito:
Estas estrategias tienen como objetivo principal evitar la selección de mutantes que escapan al tratamiento mediante múltiples limitaciones selectivas que el virus no puede superar. [58] [106] El control es eficaz porque la exploración del espacio de secuencia no puede alcanzar las mutaciones múltiples requeridas (incluso cuando la recombinación está disponible) o porque las mutaciones múltiples infligen un costo de aptitud grave. [106] Las vacunas que exponen múltiples epítopos y las terapias combinadas siguen la misma estrategia cuyo objetivo es limitar las posibles rutas de escape a cuasiespecies virales frente a la restricción supresora.
La mutagénesis letal es el proceso de extinción de un virus a la tasa de error a la que un virus ya no puede mantener su información genética. [10] [28] [44] [58] [62] [83] [107] [108] La aplicación de la mutagénesis letal como estrategia antiviral merece atención en el contexto del presente artículo porque sus orígenes se encuentran en la teoría de las cuasiespecies, en la forma de la relación del umbral de error. Tanto el umbral de error como la mutagénesis letal dependen en gran medida del paisaje de aptitud, pero ambos pueden ocurrir en paisajes de aptitud complejos como aquellos pertinentes a las poblaciones virales. [83] El término mutagénesis letal fue acuñado por Lawerence Loeb y sus colegas, [107] y ahora se usa ampliamente para describir la actividad antiviral de los análogos de bases y nucleósidos que aumentan la tasa de mutación viral. Aunque se han propuesto varios modelos para explicar la extinción del virus por exceso de mutaciones, [83] una extensión de la violación del umbral de error es un mecanismo probable. [109] [108] Curiosamente, algunos agentes antivirales autorizados para uso humano, que inicialmente se pensaba que actuaban solo como inhibidores de la replicación viral, en realidad pueden ejercer su actividad antiviral contra algunos virus de ARN, al menos parcialmente, mediante mutagénesis letal. Es el caso del favipiravir (T-705; 6-fluoro-3-hidroxi-2-pirazinacarboxamida) y la ribavirina (1-β-D-ribofuranosil-1-H-1,2,4-triazol-3-carboxamida) que actualmente se están investigando intensamente como mutágenos letales. [108]
Los mecanismos de defensa basados en la modificación del genoma de parásitos genéticos invasores, como la edición de las actividades celulares que se reclutan como parte de la respuesta inmune innata ( ADAR , APOBEC , RIP , etc.) [110], representan una contraparte natural del principio utilizado por la mutagénesis letal. La aplicabilidad a elementos celulares patógenos es una posibilidad real, y la mutagénesis letal para controlar las células tumorales es un campo activo de investigación. [111] [112] Por lo tanto, el reconocimiento de la dinámica de las cuasiespecies ha sugerido algunas pautas fundamentales para la prevención y el control de enfermedades que están permeando gradualmente la práctica clínica. Esto está en consonancia con la necesidad reconocida de aplicar los principios darwinianos al control de las enfermedades infecciosas.
Esto puede definirse como "La incapacidad de un elemento genético de mantenerse en una población cuando la fidelidad de su maquinaria de replicación disminuye más allá de un cierto valor umbral". [113]
En teoría, si la tasa de mutación fuera lo suficientemente alta, la población viral no sería capaz de mantener el genotipo con la mayor aptitud y, por lo tanto, la capacidad de la población para adaptarse a su entorno se vería comprometida. Una aplicación práctica de esta dinámica es en los fármacos antivirales que emplean mutagénesis letal. Por ejemplo, dosis elevadas del mutágeno ribavirina reducen la infectividad del poliovirus. [114]
Sin embargo, estos modelos suponen que sólo las mutaciones que ocurren en la secuencia más adecuada son perjudiciales y, además, que no son letales. Se ha argumentado que, si tenemos en cuenta el efecto nocivo de las mutaciones sobre la población de variantes y el hecho de que muchas mutaciones son letales, entonces el umbral de error desaparece, es decir, la secuencia más adecuada siempre se mantiene. [115] [113] [116] Los datos empíricos sobre el efecto de las mutaciones en los virus son raros, pero parecen corresponderse con este escenario. [117]
La evolución a largo plazo del virus puede verse influida en el sentido de que puede ser una mejor estrategia evolutivamente estable generar una cuasiespecie amplia con miembros de aptitud física aproximadamente igual que tener un genotipo único 'más apto' claramente definido (con vecinos mutacionales sustancialmente menos adaptar). A esto se le ha llamado "supervivencia de los más planos", en referencia a los perfiles de aptitud de las dos estrategias respectivamente. [3]
A largo plazo, un perfil de aptitud más plano podría permitir que una cuasiespecie aproveche mejor los cambios en la presión de selección , de forma análoga a la forma en que los organismos sexuales utilizan la recombinación para preservar la diversidad en una población. Al menos en simulaciones, se puede demostrar que un replicador más lento puede superar a uno más rápido en los casos en que es más robusto y la tasa de mutación es alta. [2]
Sin embargo, no se ha confirmado si la robustez mutacional evolucionó o es intrínseca a los sistemas genéticos, porque el mecanismo básico detrás de la robustez dependería de las peculiaridades de cada sistema. [4]
La manipulación experimental de los poliovirus para darles una polimerasa de mayor fidelidad (y así reducir su tasa de mutación) demostró que estas variantes tienen una patogenicidad menor que las secuencias de tipo salvaje . [85] La patogenicidad podría entonces restablecerse mediante la aplicación de mutágeno. Esto se interpretó en el sentido de que tasas de mutación más bajas habían reducido la adaptabilidad (o amplitud) de las cuasiespecies. Los virus mutantes extraídos del tejido cerebral no eran patógenos en sí mismos, y los autores especulan que puede haber una complementación entre miembros variantes de las cuasiespecies que podrían permitir a los virus colonizar diferentes tejidos y sistemas del huésped.
Este artículo fue adaptado de la siguiente fuente bajo licencia CC BY 4.0 (2000) (informes de los revisores): Esteban Domingo Solans, Celia Perales (17 de octubre de 2019). "Cuasiespecies virales". PLOS Genética . 15 (10): e1008271. doi : 10.1371/JOURNAL.PGEN.1008271 . ISSN 1553-7390. PMC 6797082 . PMID 31622336. Wikidata Q86320171.
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