COVID-19 vs SALTO ENTRE ESPECIES La revolución de los genes

Ferez Ruiz Xavier: Consultor técnico-científico de ADERAVA www.aderava.com

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La revolución Neolítica pudo suponer un mundo de oportunidades para el comercio, tras el auge de la agricultura y la ganadería, con la explotación de la vida silvestre y el excedente de alimento, pero también para nuevas enfermedades infecciosas. Miles de años después parece que otra revolución podría causar un nuevo escenario de oportunidades en el aumento de la aparición de enfermedades infecciosas emergentes.

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Charles Darwin se fascinó por la compleja y especifica biodiversidad de nuestro planeta, lo que le llevó como naturalista a enunciar sus ideas acerca de la evolución. Su fascinación fue en aumento al llegar a las islas Galápagos con el caso de los pinzones, pues se sorprendió que en este archipiélago hubiera un pinzón adaptado a cada isla. Hoy sabemos que existe al menos una forma de vida adaptada a cada uno de los posibles nichos ecológicos del planeta. Este apasionado naturalista viajero del Beagle se hubiera sorprendido aún más si hubiera podido contemplar el mundo microscópico que nos rodea. En esta nueva dimensión cualquier cambio o nuevo parámetro físico-químico del hábitat como temperatura, pH, concentración, presión osmótica…..etc. propiciará la adaptación de una nueva forma de vida a ese cambio en el biotopo. Darwin en su época desconocía la fuente de esa variabilidad, materia prima para que actuara sobre ella una herramienta tan eficaz como la selección natural, permitiendo de esta manera la ocupación de este nuevo nicho por parte, en este caso, de un microorganismo.

Esta fuente de variabilidad, años más tarde, supimos que eran las mutaciones que sufría el material genético. Todo mecanismo de producción en cada una de sus fases puede estar sometido a errores y corrección de errores, la producción de material orgánico por vía anabólica no podía ser menos.

Fig.1. Estadio de diferenciación celular de células mesenquimales de la membrana amniótica (hAMSC). Se aprecian en azul los núcleos de las hAMSC (Izq) y en verde  su diferenciación condrogénica.

En el caso de los virus, cuyos nichos ecológicos son las células que afectan, y sus puertas de entradas, las glicoproteínas de sus superficies, tuvieron que ir adaptándose a los largo de la evolución biológica desde los inicios, con la simplicidad ambiental de los seres unicelulares que infectaban como bacterias y arqueobacterias que tuvieron que desarrollar unos mecanismos de defensa sorprendente frente a los colonizadores virales que estamos comenzando a descubrir y a aplicar terapéuticamente, hasta la diversidad de ambientes pluricelulares, donde cada células especializadas con sus variaciones fenotípicas albergarían potencialmente múltiples nichos ecológicos que colonizar.

A lo largo de nuestra evolución biológica se ha alcanzado un grado de complejidad en los sistemas biológicos, que consiste en individuos pluricelulares, esta pluricelularidad en la mayoría de casos se centra en la especialización de funciones de las células que constituyen ese organismo (ver Fig.1).

En paralelo a esta diversidad celular, la alta tasa de mutación de los virus ha ido proporcionando candidatos víricos para su colonización celular. Los virus son máquinas orgánicas con la mayor variación en las tasas de mutación en cortos periodos de tiempo, lo que les ha permitido a lo largo de la evolución abiótica primero y posterior evolución biótica, adaptarse a estos nuevos entornos. No cabe duda que la pluricelularidad ha potenciado la especificidad entre el huésped y el hospedador, entre el virus y la célula, entre receptor y ligando, de igual manera observamos este grado de adaptación específica, en el mundo macroscópico en innumerables seres vivos con sus ecosistemas.

No sabemos si los cerca de 1001 virus que infectan a los humanos y las 13.000 proteínas que codifican, han conseguido colonizar todos los posibles hábitats de un organismo pluricelular con más de 200 estirpes celulares diferentes en el caso de los seres humanos, alcanzándose ese grado alto de especificad. Si sabemos que este grado de especificidad se centra en las interacciones entre los receptores del virus y sus ligando de la superficie celular. Por lo tanto deberíamos dejar algo bien claro, cuando un virus emergente pasa a infectar a otra especie, “salto de especie”, no es que ahora sea específica de esta especie, sino que esta especie también presenta ligandos muy análogos en su superficie que sus ligandos “nativos”. El receptor del SARS-CoV2 es un 74 % homólogo al receptor del SARS-CoV1 en su estructura primaria, por lo que se previó que podrían compartir el mismo ligando en sus respectivas células huésped, en este caso la Enzima Convertidora de Angiotensina 2 (ACE2).

La especificidad de un virus no está a nivel de organización, centrada en la especie que infecta, sino a un nivel macromolecular a modo de “llave vs cerradura”. La evolución molecular es proceso que pretende fijar los nuevos alelos en las poblaciones que a nivel de receptor ligando se materializa en su grado de afinidad. Las mutaciones deberían darse en otros componentes del virus para poder mantener esta especificidad, por ello los receptores víricos suelen ser sus zonas más conservadas y sensibles. La deriva génica aunque es fuente de variabilidad no permitiría alcanzar esa estabilidad en la evolución de todo ecosistema vírico, en los ecosistemas vivos, pero recordemos la naturaleza inerte de las partículas víricas.

La tasa de mutación espontánea y la probabilidad de que un cambio en la información genética pase a la próxima generación, entendiendo como generación a un ciclo celular que incluye la unión receptor ligando de la superficie celular, entrada, expresión génica, replicación, encapsulación y liberación vírica, varía notablemente entre los virus. Los virus de ARN mutan más rápido que los virus de ADN y no solamente por la fidelidad de su polimerasa sino también a otros diferentes niveles, como la capacidad de un virus para corregir desajustes de ADN por corrección de pruebas y/o la reparación post-replicativa, incluidas las del propio huésped celular que por elementos codificados por ellos mismos, pueden inducir cantidades masivas de mutaciones al virus. El conocimiento de los procesos ligados a las tasas de mutación viral tiene implicaciones para comprender la aparición de nuevas enfermedades contagiosas emergentes por virus.

Sabemos que para el proceso de cambio evolutivo es importante tanto las mutaciones como la recombinación, la selección, la desviación genética y la migración, todas interactuando para dar forma a las diversas poblaciones genéticas del virus. Para entender la importancia de estos procesos debemos tener en cuenta las siguientes propiedades de las poblaciones víricas. Los virus de ARN tienen un gran tamaño de población llegando a 1012 partículas víricas en un solo organismo. Se caracterizan por una replicación explosiva hasta 100.000 copias virales en 10 horas y además presentan esa alta tasa de mutación, aproximadamente una mutación por genoma y por replicación. Hay mutaciones tanto beneficiosas como perjudiciales, pero se espera que la acumulación de mutaciones deletéreas no sea un problema para los virus ARN ya que estos pueden reorganizar o recombinar su material genético con otros virus.

Fig.2. Fases evolutivas de las transmisiones víricas. 

Distinguimos cinco fases evolutivas (Fig.2.) que define gran parte de la literatura científica, a través de las cuales un patógeno que infecta en una etapa inicial exclusivamente a animales (fase 1) puede transformarse en un patógeno que infecta exclusivamente a humanos en una etapa final (fase 5), pasando por la fase 2 en el cual ya se ha producido el “salto de especie”, donde ha colonizado a humanos pero no puede infectarse en ellos (infección primaria), luego la fase 3 (infección secundaria) que puede haber unos pocos ciclos de transmisión en humanos o largas secuencias de transmisión secundaria entre humanos que sería la fase 4, finalizando con un patógeno exclusivo para los humanos en la fase 5. No debe darse una progresión obligatoria de fases, pues algunos patógenos han permanecidos “prisioneros” en algunas de ellas como el virus del Nilo Occidental que no se transmite de humanos a humanos permaneciendo en la fase 2. El virus del Ébola establecido en la fase 3, que presenta ocasionalmente transmisiones secundarias de humano a humano pero que desaparecen pronto. Para los biólogos evolutivos seguramente la transición más crítica y comprensible sea el salto de la fase 1 a la fase 2, es decir, “el salto de especie”. La capacidad de unirse al nuevo ligando de manera efectiva puede ser un proceso complejo y requerir múltiples cambios en el virus.

El VIH, el filovirus de Ébola, el virus Hendra, el virus de Marburgo, el virus Nipah, el MERS y el SARS son ejemplos de patógenos emergentes de la vida silvestre, que se transmiten de animales a humanos (zoonóticos). Nuestro actual desarrollo económico alimentado por un capitalismo desmesurado está alterando nuestra relación con la vida silvestre y se piensa que es la fuerza generatriz que está detrás del aumento de la tasa de enfermedades contagiosas emergentes. ¿Pero, es qué el género Homo no lleva algunos millones de años interactuando con la vida silvestre, alimentándose de la ella? ¿Es qué estos virus emergentes no existían antes? ¿Es cuestión de probabilidades y ahora estamos más que antes interactuando con la vida silvestre?

Si sabemos que los casos de enfermedades contagiosas emergentes han aumentado significativamente y que el 60,3 % de ellos están dominados por zoonosis, de los cuales la mayoría (71,8%) se originan en la vida silvestre y que suponen una amenaza para la salud pública.

No debemos olvidar que un porcentaje elevado causante de estas enfermedades contagiosas son las bacterias resistentes a los medicamentos con un 54,3% siguiéndole los virus o priones un 25,4%, los protozoos un 10,7%, los hongos el 6,3% y finalmente los helmintos que cierran esta lista con un 3,3%. Esto agrupa el 100% de los agentes patógenos causantes de las enfermedades emergentes contagiosas

Hoy tenemos la información que nos permite pensar que las enfermedades infecciosas más importantes de las sociedades humanas podrían haber surgido en los últimos 11.000 años tras una de la revoluciones más importantes que afectarían el entorno y las interacciones con la vida silvestre, la revolución Neolítica, con la aparición de la agricultura y la ganadería. Su explotación intensiva por parte de nuestros antepasados habría supuesto el mayor escenario imaginable de interacciones posibles con la vida silvestre (Fig.3.)

Fig.3. Interacciones con la vida silvestre. 

El auge de la agricultura y la ganadería permitieron posiblemente un aumento considerable en las probabilidades para que se diera la evolución de los patógenos animales en patógenos humanos y la persistencia en su población con la generación de grandes poblaciones humanas con mayor densidad poblacional y núcleos con mayores poblaciones de animales salvajes pre-domésticos.

La información actual nos sugiere que 8 de 15 enfermedades infecciosas llegaron a humanos de animales domésticos (la difteria, influenza A, sarampión, paperas, tos ferina, rotavirus, viruela y tuberculosis), tres llegaron de simios (hepatitis B) o roedores (peste y tifus), mientras que la rubeola, sífilis, tétanos y fiebre tifoidea provienen de fuentes desconocidas.

La prehistoria y la historia de la humanidad, las sociedades humanas cazadores y las recolectoras, estarán repletas de episodios con brotes de enfermedades infecciosas, pero

la revolución Neolítica tuvo que marcar un antes y un después, al cambiar nuestro grado de relación con esa vida silvestre, las probabilidades para la aparición de enfermedades emergentes tuvo que ser considerable y algunas provienen de aquellos tiempos.

Pero qué ha pasado en estos últimos 50 años para que la tasa de aparición de enfermedades infecciosas emergentes haya aumentado considerablemente. A priori ninguna revolución destacada por los historiadores que podría marcar el futuro de nuestra humanidad… o quizás sí…la revolución biotecnológica, la revolución de los genes .(Fig.4).

Fig.4. La rebelión de los genes 

El proceso más probable que tuvo que darse para la adquisición de múltiples cambios genéticos en un solo paso, fue la recombinación entre virus que permite combinar información genética para obtener genotipos ventajosos de manera eficaz y eficiente.

Parte de la secuencia de unión al ligando de este coronavirus SARS animal pudo haberse adquirido por recombinación con un grupo humano de coronavirus. Para que se de una recombinación factible, en los tres mecanismos generales de recombinación genómica conocidos, debe darse la condición imprescindible de que ambos virus anfitriones se encuentres hospedando la misma célula de un organismo o cultivo de células.

La recombinación entre virus ya no sólo es preocupante por su contribución a la propia virulencia del virus, sino también por su potencial como es normal, a generar especies completamente nuevas de virus, como por ejemplo el virus de la encefalitis equina occidental que es el producto de la recombinación entre el virus de la encefalitis equina oriental y un virus similar a Sindbis.

Aunque los virus también se han dotados durante su evolución de mecanismos propios para evitar que virus adicionales ingresen con ellos en una misma célula, proceso conocido como exclusión de superinfección, se han producidos diferentes situaciones no naturales, que han permitido esta posibilidad de encuentro y por lo tanto el aumento de la probabilidad de recombinación genética entre virus, durante estas últimas décadas.

La primera situación involuntaria, sería aquella que se puede producir en los laboratorios de Bioseguridad, donde hubieron al menos 3 casos documentados, en los dos años posteriores al primer brote por SARS-CoV1, de contagio a personal del centro, en laboratorios de cultivo de virus y lo más interesante de coinfecciones víricas de cultivos celulares en células VeroE6 de SARS-CoV1. Los centros de investigación con virus son potenciales lugares de encuentro, lo han sido en el pasado y lo seguirán siendo en el futuro.

La segunda situación voluntaria sería una recombinación “dirigida” en esos centros de investigación con la producción de virus quiméricos en los que las proteínas estructurales de un virus bien atenuado se remplazan con las del virus objetivo para garantizar la inmunización, en la generación de vacunas.

Un tercero escenario sería durante la administración de vacunas con cepas múltiples atenuadas, las vacunas polivalentes. Tal recombinación puede darse entre los propios virus de la misma vacuna; entre virus vacunales y virus salvajes o; entre virus vacunales y otra especie de virus. Esto virus recombinados aunque atenuados podrían seguir inmunizando de forma pasiva a la población o causar síntomas adversos en caso de adquirir nuevas características de virulencia tras la recombinación.

Otro escenario sería la terapia génica con el diseño de nuevos fármacos dirigidos frente a una de las enfermedades que más muertes causan en el mundo, las enfermedades cardiovasculares cuyo enzima más destacable es la Enzima Convertidora de Angiotensina 2 (ECA2). Un investigador puede manipular fácilmente la parte del genoma de un virus que codifica para su receptor de superficie y usarlo como vector selectivo que libere localmente un medicamento o un gen supresor/activador en las células que expresen concretamente ECA2, para alguna enfermedad cardiovascular. Este vector vírico además de tener la llave de entrada a dichas células que expresen ECA2, posiblemente lleve otros genes que le permita evadir el sistema inmune para garantizar su acción terapéutica. Este virus modificado podría compartir el citoplasma de su célula diana con otro virus generalista como un coronavirus que utiliza el ácido siálico presente en la mayoría de las membranas celulares de nuestro organismo. Y en este cuarto escenario podría darse la recombinación y el marco necesario para que un coronavirus generalista, un “simple” virus de la gripe humana, pase a ser especialista en células que expresen ECA2 en humanos y otros mamíferos como los murciélagos.

No hace ni una década los biotecnólogos pensábamos que la ingeniería de virus en aplicaciones biomédicas había alcanzado su mayoría de edad. Desde entonces hemos vivido una autentica revolución biotecnológica en edición y manipulación de material altamente sensible como es el material genético. Se han seguido diversas estrategias de diseño para crear virus híbridos, para diseñar vectores de entrega de pro-fármacos o genes funcionalmente mejorados a sus células dianas. Algunos investigadores se lanzaron a una carrera por la innovación centrada en 1) mezclar partes virales preexistentes, 2) insertar partes genéticamente codificadas extrañas a virus naturales, 3) ajustar virus a través de mutaciones puntuales, 4) unir polímeros artificiales en su superficie.

El potencial de la terapia génica con vectores virales estuvo centrado sobre todo en el tratamiento para enfermedades cardiovasculares adquiridas y heredadas como la isquemia cardíaca grave, la insuficiencia cardíaca y algunas formas de dislipidemias. De hecho el primer producto (Glybera) de terapia génica aprobado en el mundo occidental no tardó y estaba indicado para la deficiencia de lipoproteína lipasa que causa altos niveles de triglicéridos en plasma.

La terapia génica viral contribuyó al desarrollo del vector viral perfecto: 1) dirigir la expresión génica sólo a los tejidos tratados, 2) escapar del sistema inmune del organismos, 3) mantener una expresión transgénica lo suficiente larga para que se produzcan los efectos terapéuticos.

En los últimos meses ya asistimos a la producción de vectores virales a escala comercial en biorreactores en empresas del sector de la Biotecnología.

Este virus del COVID-19 presenta curiosamente unas peculiaridades tanto en su receptor de entrada como en su forma de propagarse que le haría ser candidato a un intento de producto de terapia génica. Más aún cuando se han publicado hace unos días que sólo el 5 % de la población española ha reaccionado de formar humoral con la producción de anticuerpos a su presencia en nuestros barrios y comunidades. ¿Sólo nos hemos contagiado el 5 % de toda la población española desde su llegada a nuestro territorio? ¡O las normas de cuarentena y confinamiento han funcionado eficazmente o este virus es muy muy especial…¡

Volviendo al salto de especie y las probabilidades, nuestra especie ha hecho más en estas últimas décadas por fomentar este salto que nuestros antepasados durante la revolución de las piedras nuevas.

COVID-19 un virus perfecto….tan sólo falta comprobar si este vector viral nos ha entregado “a domicilio” alguna información codificada por descifrar.

Doctor Xavier Férez