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Rev. sci. tech. Off. int. Epiz., 2000, 19 (1), 55-63
Cuasiespecies y evolución molecular de virus
E. Domingo, E. Baranowski, J.I. Nunez, C.M. Ruiz-Jarabo, S. Sierra,
N. Molina & F. Sobrino
Centro de Biología Molecular "Severo Ochoa", Universidad Autónoma de Madrid, Cantoblanco, 28049 Madrid,
España; Centro de Investigación en Sanidad Animal, Instituto Nacional de Investigaciones Agrarias, Ctra.
Algete-Alcasar, Km. 6,5, 28130 Valdeolmos, España
Resumen
Los virus con ácido ribonucleico (RNA) evolucionan como distribuciones
complejas
de variantes
distintos
pero
estrechamente
relacionados
genéticamente, que se denominan cuasiespecies víricas. En las cuasiespecies
no existe un genoma definido de modo preciso, ya que el genoma consenso es un
promedio de variantes. La dinámica de cuasiespecies tiene un considerable
número de implicaciones para entender la adaptabilidad de virus, su poder
patogénico y de persistencia, así como para el diseño de estrategias para la
prevención y control de las enfermedades que ocasionan. Los autores resumen el
estado actual de conocimientos sobre la estructura en cuasiespecies y sus
implicaciones biológicas.
Palabras clave
Aptitud biológica - Competición - Cuasiespecies - Enfermedades emergentes - Escape
viral - Mutación - Selección - Virus - Zoonosis.
Origen del concepto de
cuasiespecies e impacto de esta
estructura poblacional de los
virus RNA
Los virus c o n ácido ribonucleico (RNA) c o m o material
genético s o n los m á s abundantes e n la biosfera y están
asociados a u n importante n ú m e r o d e e n f e r m e d a d e s d e l
h o m b r e , d e animales y d e plantas. Su material genético p u e d e
ser u n RNA d e c a d e n a sencilla o d e d o b l e h e b r a , d e una sola
cadena o s e g m e n t a d o e n varios fragmentos. Su complejidad,
medida p o r la longitud d e su g e n o m a , está c o m p r e n d i d a entre
3 y 30 kilobases ( k b ) . E n la d é c a d a d e 1970 se obtuvo el
primer indicio d e q u e l o s virus RNA p o d r í a n tener una
estructura poblacional distinta d e l o q u e se creía hasta
entonces. El indicio tuvo u n origen teórico y otro
experimental, totalmente independientes. E n 1 9 7 1 , Eigen
publicó u n articulo acerca d e la evolución d e m a c r o m o l é c u l a s
simples c o n capacidad replicativa q u e posteriormente fueron
denominadas "replicones". Este tratamiento teórico fusionó
conceptos d e e v o l u c i ó n darwiniana, e n particular el d e
mutación y selección entre formas variantes del replicón
inicial, c o n c o n c e p t o s d e teoría d e la información (15). Su
objetivo fue entender las bases moleculares d e la adaptación
d e m a c r o m o l é c u l a s sencillas q u e p r o b a b l e m e n t e fueron las
precursoras d e formas m á s complejas d e vida e n la Tierra,
h a c e u n o s 4 . 0 0 0 millones d e años. Al profundizar e n el origen
y cuantificación d e las mutaciones, Eigen y Schuster (16)
desarrollaron el c o n c e p t o d e cuasiespecies para describir una
distribución o r d e n a d a y estable d e mutantes d o m i n a d o s p o r
u n g e n o m a principal, d e n o m i n a d o secuencia maestra. Ésta
p u e d e ser minoritaria e n una p o b l a c i ó n d e replicones, e n cuyo
caso la p o b l a c i ó n está formada esencialmente p o r una n u b e d e
mutantes.
El origen experimental del c o n c e p t o d e cuasiespecies
p r o c e d i ó d e los estudios d e W e i s s m a n n y sus c o l a b o r a d o r e s
c o n u n bacteriófago q u e infecta algunas estirpes d e Escherichia
coli, d e n o m i n a d o fago Qß, t a m b i é n desarrollados durante la
d é c a d a d e 1970. C o n este virus RNA sencillo se realizaron d o s
observaciones q u e e n años posteriores resultaron d e gran
relevancia para virus RNA p a t ó g e n o s d e organismos
diferenciados:
a) Una mutación específica del RNA g e n ó m i c o ocurría c o n
una tasa d e 10-4 incorporaciones erróneas p o r nucleótido
c o p i a d o y r o n d a d e copia ( 2 , 8 ) .
b) Las p o b l a c i o n e s del fago eran genéticamente heterogéneas
e n el sentido d e q u e la secuencia d e nucleótidos de cada
g e n o m a d e la p o b l a c i ó n difería d e los restantes g e n o m a s e n
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una o d o s posiciones; d e h e c h o , el g e n o m a m á s abundante e n
las p o b l a c i o n e s analizadas representaba tan solo el 15% del
total (9).
Estas d o s observaciones establecían q u e las tasas d e error
durante la replicación del fago alcanzaban valores q u e eran
unas cien mil v e c e s mayores q u e los estimados para la
replicación d e células y virus c o n ácido desoxiribonucleico
(DNA) c o m o material genético (12, 13) y, a d e m á s , q u e la
p o b l a c i o n e s d e fago contenían una distribución d e mutantes
del m i s m o tipo que las predichas p o r el c o n c e p t o teórico d e
cuasiespecies (Fig. 1). L o s orígenes del c o n c e p t o d e
cuasiespecies e n sus vertientes teórica y experimental h a n sido
revisados e n algunos artículos e n los q u e el lector encontrará
m á s información y bibliografía complementaria (7, 11).
El c o n c e p t o d e cuasiespecies adquirió una nueva dimensión
c o n la demostración, obtenida m u y p o c o s años después d e los
estudios c o n el fago Qß, d e q u e d o s virus animales patógenos
Rev. sci. tech. Off. int. Epiz., 19 (1)
t a m b i é n d e b í a n ser descritos c o m o distribuciones d e
mutantes e n vez d e g e n o m a s c o n una información genética
definida. Se trata del virus d e la fiebre aftosa (VFA, o virus d e
la g l o s o p e d a ) y el virus d e la estomatitis vesicular (VEV), d o s
virus d e la m a y o r importancia e n m e d i c i n a veterinaria. C o n el
VFA se estableció q u e virus aislados durante u n b r o t e d e
enfermedad, aún perteneciendo al m i s m o subtipo y siendo
serológicamente indistinguibles
c o n los m é t o d o s d e
diagnóstico al uso, eran genéticamente distintos u n o s d e
otros; a d e m á s se d e m o s t r ó q u e dentro d e u n m i s m o animal
infectado replicaban virus ligeramente distintos, l o q u e h i z o
p r o p o n e r una estructura e n cuasiespecies in vivo para este
importante
patógeno
(10). Estas
observaciones se
c o m p l e m e n t a r o n c o n otras s o b r e la continua aparición d e
mutantes durante la multiplicación d e clones d e VFA e n
cultivos celulares (38). C o n el VEV se o b s e r v ó una dinámica
de p r o d u c c i ó n y selección d e mutantes durante infecciones
persistentes e n cultivos celulares p r o m o v i d a s p o r partículas
defectivas interferentes ( 2 1 , 2 2 ) . C u a n d o células e n cultivo se
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tos genomas individuales se representan por rayas horizontales y los símbolos sobre las rayas representan mutaciones. La distribución de la izquierda es genéticamente homogénea mientras que la
del centro y la de la derecha son distribuciones genéticamente heterogéneas tal como se hallan en las cuasiespecies víricas, tas tres líneas inferiores, algo separadas del resto de la distribución,
representan la secuencia consenso o promedio de la población, aquella que se obtiene al asignar a cada posición el residuo (nucleótido o aminoácido) más frecuente en esa posición en la
distribución. Obsérvese que, a pesar de su elevada heterogeneidad, la distribución del centro tiene la misma secuencia consenso que la de la izquierda. Al conjunto de mutantes se le denomina
espectro de mutantes de la cuasiespecie. t a flecha indica la replicación de una sola molécula de la distribución central que da lugar a una nueva cuasiespecie con una secuencia consenso distinta,
debido a las mutaciones arrastradas del genoma parental. La flecha puede representar un muestreo aleatorio de un genoma (como acontece probablemente en muchos casos de transmisión de un
virus) o un proceso selectivo en el que replica un genoma con preferencia a los demás.
Fig. 1
Representación esquemática de cuasiespecies víricas
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infectan c o n VEV a altas multiplicidades d e infección (varias
partículas víricas p o r c a d a célula), se p r o d u c e una
acumulación d e RNAs defectivos q u e requieren VEV
infeccioso para su multiplicación. Estos defectivos interfieren
con la replicación del VEV infeccioso y p r o m u e v e n la
selección d e VEV mutantes resistentes a la acción inhibidora
de los defectivos. Así se establece una dominancia cíclica de
sucesivas ondas d e VEV mutantes y sus correspondientes
defectivos, lo q u e J. Holland expresó c o n el ilustrativo título
de uno d e sus trabajos d e revisión s o b r e el tema: "Un continuo
de variación e n g e n o m a s RNA víricos" (20).
A estos estudios siguieron otros m u c h o s c o n virus RNA
humanos, d e animales y plantas q u e h a n establecido d e m o d o
firme la estructura e n cuasiespecies para virus RNA. T o m a n d o
c o m o criterio d e c o m p o r t a m i e n t o d e una cuasiespecie la
presencia d e u n espectro d e mutantes y c a m b i o s e n la
secuencia consenso e n función d e la replicación viral (Fig. 1),
se ha demostrado adherencia a una dinámica d e cuasiespecies
en unos cincuenta virus distintos, entre ellos varios d e interés
veterinario (Cuadro I). Hasta ahora n o se h a descartado una
dinámica d e cuasiespecies para ningún virus RNA estudiado
desde u n punto d e vista poblacional. Para q u e u n virus n o
siguiera una dinámica d e cuasiespecies, las frecuencias d e
error deberían ser ó r d e n e s d e magnitud inferiores a las
determinadas hasta ahora o, alternativamente, el virus debería
mostrar una intolerancia casi c o m p l e t a a las mutaciones
surgidas durante su replicación. Ninguna d e estas d o s
condiciones h a p o d i d o ser demostrada para ningún virus
RNA. La conclusión es q u e la dinámica d e cuasiespecies tiene
una amplia aplicación e n las p o b l a c i o n e s d e virus RNA.
Cuadro I
Algunas enfermedades de interés veterinario causadas por virus RNA
para los que se ha demostrado una dinámica de cuasiespecies
Virus
Enfermedades
Virus RNA de
polaridad positiva
Fiebre aftosa
Infección par calicivirus felino
Encefalomielitis equina
Arteritis equina
Hepatitis murina
Gastroenteritis transmisible del cerdo
Virus RNA de
polaridad negativa
Gripe
Rabia
Coriomeningitis linfocitaria
Estomatitis vesicular
Septicemia hemorrágica de peces
Retrovirus
Visna
Anemia infecciosa equina
Inmunodeficiencia de simio
Leucemia felina
Definición actualizada de cuasiespecie vírica
El c o n c e p t o teórico d e cuasiespecie, e n su formulación inicial,
suponía una distribución estacionaria d e mutantes, q u e
alcanzaba u n tamaño ilimitado (infinito) (16). E n el
transcurso d e una infección d e u n organismo, u n virus RNA
encuentra multitud d e ambientes diferentes c o m o s o n
distintos tipos d e células, tejidos, respuestas inmunes d e
intensidad variable, entre otros factores perturbadores. N o es
posible, e n estas circunstancias, mantener distribuciones
estacionarias d e mutantes e n equilibrio. Las distribuciones
genómicas e n p o b l a c i o n e s reales d e virus s o n s u m a m e n t e
variables y l o s g e n o m a s dominantes tienen una existencia
efímera. Las cuasiespecies víricas reales q u e evolucionan e n
organismos infectados p u e d e n considerarse sucesiones d e
distribuciones estacionarias d e duración infinitesimal. Las
sucesivas distribuciones estacionarias varían respecto a las q u e
les p r e c e d i e r o n y a las q u e van a seguir, constituyendo u n
conjunto extraordinariamente c o m p l e j o d e enjambres d e
g e n o m a s fluctuantes e n el espacio y en el t i e m p o . Ha sido
necesario formular u n a definición a m p l i a d a d e cuasiespecies
víricas, q u e h a sido recogida e n la última e d i c i ó n d e la
Encyclopaedia of virology (6): "Se d e n o m i n a n cuasiespecies
víricas las distribuciones dinámicas d e g e n o m a s víricos n o
idénticos p e r o estrechamente relacionados entre sí s o m e t i d o s
a u n p r o c e s o continuo d e variación genética, c o m p e t i c i ó n y
selección y q u e actúan c o m o una unidad d e selección". Esta
definición n o se separa d e l c o n c e p t o germinal d e Eigen,
Schuster y sus asociados y c o n t e m p l a la situación real d e los
virus e n el p r o c e s o d e infección d e organismos o cultivos
celulares (Fig. 1).
Implicaciones biológicas
de la dinámica de cuasiespecies
de los virus RNA
El c o m p o r t a m i e n t o d e los virus RNA c o m o cuasiespecies tiene
u n n ú m e r o considerable d e implicaciones q u e abarcan d e s d e
la descripción poblacional d e los virus hasta la interpretación
d e su respuesta a factores selectivos durante p r o c e s o s
infecciosos, su adaptabilidad a ambientes cambiantes y el
origen d e nuevas e n f e r m e d a d e s víricas (Cuadro II).
Estructura poblacional
N o resulta o b v i o d e m o d o inmediato q u e u n espectro d e
mutantes c o m o e l representado e n la Figura 1 i m p l i q u e u n a
importante indeterminación respecto a describir c o n
precisión una p o b l a c i ó n viral. L o s m é t o d o s d e secuenciación
de nucleótidos n o permiten la determinación d e una
secuencia d e nucleótidos d e "una" molécula d e RNA
g e n ó m i c o , sino d e una multitud d e g e n o m a s q u e definirá u n
consenso (Fig. 1). Tan s ó l o mediante p r o c e d i m i e n t o s d e
clonaje biológico o molecular (flecha e n la Figura 1) se p u e d e
revelar el carácter h e t e r o g é n e o d e la distribución. Ante esta
situación se plantea la cuestión d e saber a q u é g e n o m a e n
particular d e b e asignarse u n c o m p o r t a m i e n t o b i o l ó g i c o q u e
estamos o b s e r v a n d o . En parte, este p r o b l e m a se resuelve c o n
la definición biológica d e cuasiespecies c o m o "unidad d e
selección" ( 1 1 , 1 6 ) . Ante una presión selectiva q u e perturba la
cuasiespecie, es el conjunto d e g e n o m a s el q u e r e s p o n d e a la
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Cuadro II
Algunas implicaciones de la dinàmica de cuasiespecies de virus RNA
Tipo de implicaciones
Descripción
Relativas a su estructura
poblacional
Un genoma viral está definido como
promedio estadístico de muchos
genomas ligeramente distintos
El genoma promedio o consenso puede no
tener una realidad física en el espectro
de mutantes
Relativas al espectro de
mutantes
El espectro de mutantes es una reserva
de mutantes g e n o t i p o s y fenotípicos
Relativas a la adaptación
viral
Una cuasiespecie vírica explora
aceleradamente espacias de
secuencias asequibles al virus
La optimización de una cuasiespecie a su
ambiente es rápida y se refleja en
ganancia de eficacia biológica
Relativas al control de
enfermedades víricas
Las vacunas deben ser multivalentes
(múltiples epítopos B y T)
Las terapias con agentes antivíricos deben
ser terapias de combinación
Deben explorarse nuevas estrategias
antivirales, como la inducción de
entrada en catástrofe de error
Relativas a ecología
evolutiva y emergencia
de enfermedades
Un virus RNA tiene un potencial para
infectar nuevas especies de hospedadores
No es recomendable el uso de virus RNA
para el control de plagas
perturbación, m o d i f i c a n d o la distribución anterior. Quizás e l
ejemplo m á s significativo respecto al significado d e u n
espectro d e mutantes es que para frecuencias d e mutación del
o r d e n d e 1 0 - sustituciones p o r nucleótido o mayores, la
secuencia consenso o p r o m e d i o d e nucleótidos, q u e es la q u e
se determina p o r los m é t o d o s actuales d e secuenciación,
p u e d e n o corresponder a ningún g e n o m a presente e n el
espectro d e mutantes. Llegamos a la sorprendente conclusión
de q u e las p o b l a c i o n e s virales p u e d e n ser m u y complejas
genéticamente, d e m o d o q u e la secuencia consenso q u e
define a la p o b l a c i ó n n o está representada e n el espectro d e
mutantes.
3
El espectro de mutantes como reserva de
variantes fenotípicos
Un creciente n ú m e r o d e e j e m p l o s h a n d e m o s t r a d o q u e los
variantes presentes e n el espectro d e mutantes permiten al
virus flexibilidad d e c o m p o r t a m i e n t o b i o l ó g i c o y e l e s c a p e a
presiones selectivas q u e tienden a limitar su replicación. Así,
la presencia d e mutantes resistentes a
anticuerpos
neutralizantes o d e mutantes capaces d e escapar a células T
citotóxicas parece contribuir a la persistencia e n organismos
de virus tan significativos c o m o el virus d e la
inmunodeficiencia h u m a n a o el virus d e la hepatitis C (3, 26).
En un estudio m u y interesante s o b r e c o m p o s i c i ó n clonal d e
aislados naturales del VEV, Marcus y col. (28) demostraron
q u e aislados virales incapaces d e inducir interferon ocultaban
en su espectro d e mutantes clones individuales capaces d e
una fuerte inducción de interferon. Asimismo, e n n u m e r o s o s
laboratorios se h a establecido q u e el espectro d e mutantes del
virus d e la inmunodeficiencia h u m a n a tipo 1 contiene
mutaciones q u e confieren resistencia a inhibidores d e la
proteasa o d e la retrotranscriptasa, e n pacientes q u e n u n c a
h a b í a n sido tratados c o n los inhibidores (31). Datos
e p i d e m i o l ó g i c o s y d e distribución d e los inhibidores
descartaron totalmente q u e los pacientes pudieran h a b e r sido
infectados p o r virus q u e previamente h u b i e s e n sido
seleccionados e n pacientes tratados. Otros e j e m p l o s q u e
demuestran q u e los espectros d e mutantes constituyen
reservas d e variantes fenotípicas p u e d e n hallarse e n revisiones
anteriores (6, 7, 1 1 , 2 2 , 2 6 , 2 9 ) .
Eficacia biológica y adaptación viral
Una d e las implicaciones d e cuasiespecies q u e actualmente
recibe m u c h a atención es la continua variación d e eficacia
biológica q u e caracteriza a los virus. Se d e n o m i n a eficacia
biológica la capacidad replicativa q u e muestra u n virus e n
unas condiciones ambientales determinadas. Es u n valor
necesariamente relativo q u e suele m e d i r s e
mediante
experimentos d e infección competitiva e n cultivos celulares o
in vivo (24). N u m e r o s o s estudios h a n establecido una gran
influencia del tamaño poblacional d e l virus e n el
mantenimiento, pérdida o ganancia d e eficacia biológica (5, 6,
11, 14, 18, 3 2 , 33). Así, los cuellos d e botella poblacionales,
e n los q u e u n solo g e n o m a inicia la infección d e m o d o
repetitivo, suelen provocar pérdidas d e eficacia biológica. Ello
h a sido d e m o s t r a d o mediante pases seriados d e viras placa a
placa e m p l e a n d o el bacteriófago Ø6, VEV, VFA y el virus d e la
inmunodeficiencia h u m a n a (5, 14, 18, 4 2 ) . Por el contrario, si
e n un ambiente constante se permite la multiplicación del
virus c o n tamaños poblacionales altos, suele producirse u n
aumento d e eficacia d e la p o b l a c i ó n (32, 3 8 ) . Así, si u n virus
se halla inicialmente m u y debilitado, incluso tamaños
p e q u e ñ o s d e p o b l a c i ó n s o n suficientes para mantener o
incrementar su eficacia biológica. E n c a m b i o , si la eficacia
inicial es alta, el tamaño poblacional necesario para
mantenerla es t a m b i é n m u y alto (33).
Un reciente estudio d e infección d e c e r d o s c o n VFA in vivo h a
sido revelador d e las variaciones d e eficacia biológica d e u n
virus in vivo (4). Se aisló u n c l o n d e VFA mutante e n la etapa
temprana d e viremia durante la infección d e l c e r d o . Este c l o n
produjo e n los animales u n ciclo d e infección adelantado
respecto a la infección d e s e n c a d e n a d a p o r el c l o n parental. E n
experimentos d e c o m p e t i c i ó n e n los q u e c e r d o s fueron
infectados c o n mezclas d e clones, las lesiones contenían
mezclas d e g e n o m a s parentales y d e clones tempranos. E n
c a m b i o , c u a n d o la c o m p e t i c i ó n se estableció entre el virus
parental y clones tardíos, el virus parental d o m i n ó s i e m p r e la
p o b l a c i ó n encontrada e n las lesiones (4).
Durante las infecciones virales se p r o d u c e n c a m b i o s d e
eficacia biológica c o m o reflejo d e la dinámica d e una continua
p r o d u c c i ó n d e mutantes y c o m p e t i c i ó n entre ellos, e n
respuesta a perturbaciones tanto d e tipo ambiental c o m o d e
tamaño poblacional (3-7, 9 - 1 1 , 14, 17, 18, 2 0 - 2 4 ) .
Rev. sci. tech. Off. int. Epiz., 19 (1)
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Estrategias para el control de enfermedades
víricas
Por lo descrito hasta a h o r a p o d r í a parecer q u e cuasiespecies e s
un c o n c e p t o c o n interés a c a d é m i c o , algo así c o m o un
refinamiento e n el m o d o d e entender p o b l a c i o n e s víricas,
pero c o n p o c a relevancia para la práctica m é d i c a o veterinaria;
nada m á s lejos d e la realidad. Si n o se diera una estructura
poblacional d e l o s virus RNA c o m o la descrita e n párrafos
anteriores, bastaría una elevada intensidad inhibitoria d e la
replicación viral, sea e n forma d e anticuerpos o d e
inhibidores, para detener la infección d e m o d o eficiente y
permitir al sistema inmune la resolución d e la misma. Si la
diana d e l inhibidor potente es susceptible d e variación d e
m o d o q u e los variantes víricos muestren una m e n o r afinidad
por el inhibidor, e n t o n c e s se producirá el e s c a p e del virus
PPPP
PPPP
PPPP
A
Un inhibidor
Virus homogéneo
PÛPP
POPP
PP0P
d e b i d o a la h e t e r o g e n e i d a d poblacional (Fig. 2). Si, p o r el
contrario, se e m p l e a n d o s inhibidores dirigidos a dianas
independientes, la p r o b a b i l i d a d d e e s c a p e es m e n o r ya q u e el
e s c a p e está c o n d i c i o n a d o a la variación simultánea d e las d o s
dianas. Obviamente, durante las infecciones víricas reales la
situación e s m á s c o m p l e j a d e l o q u e refleja la Figura 2 , ya q u e
el n ú m e r o d e partículas víricas implicadas es m u c h í s i m o
m a y o r (a v e c e s hasta u n total d e 1 0 ) y existen varias formas
variantes d e las dianas d e u n i ó n a i n h i b i d o r e s q u e m o d i f i c a n
su sensibilidad a los m i s m o s e n distinto grado. El gran
potencial d e variación y adaptación d e las cuasiespecies
virales, c o n d i c i o n a t a m b i é n las estrategias d e vacunación
frente a diferentes e n f e r m e d a d e s causadas p o r virus RNA. D e
esta manera, las vacunas atenuadas p o r acumulación d e
c a m b i o s genéticos presentan una p r o b a b i l i d a d d e reversión a
1 2
0000
*
0000
0000
->•
No hay escape de virus
Virus inactivado
A
Un inhibidor
Virus heterogéneo
0000
0000
0000
->-
3
0
0
.
Hay escape de virus
Virus parcialmente
inactivado
P0PP
A
O
31
PPPP
PP0P
Virus heterogéneo
0000
.
0000
0000
Dos inhibidores
No hay escape de virus
Virus inactivado
Arriba a la izquierda se representa una población homogénea de virus (círculos grandes) con dos dianas (triángulo blanco y punto negro) idénticas en cada partícula. En este caso un inhibidor potente
puede ser suficiente para inactivar el virus y evitar su replicación (escape). En la fila del medio el virus es heterogéneo y cada diana tiene dos formas posibles. En este caso un solo inhibidor no puede
inactivar todas las partículas y se produce escape de virus. La última fila ¡lustra que la misma distribución puede ser inactivada completamente por dos inhibidores administrados de modo
simultáneo. Ello justifica el empleo de vacunas polivalentes y terapias de combinación con múltiples inhibidores para la prevención y control de enfermedades causadas por virus que siguen una
dinámica de cuasiespecies. En el texto se dan referencias bibliográficas relevantes a este problema.
Fig. 2
Representación esquemática del efecto de la heterogeneidad viral en la supervivencia de un virus sometido a la acción de un inhibidor, sea una
droga o un anticuerpo neutralizante
60
formas patógenas, q u e p u e d e variar e n función del sistema
viral y del n ú m e r o d e mutaciones implicadas e n la atenuación.
Este riesgo h a q u e d a d o patente a l o largo d e los años e n q u e la
vacuna atenuada d e poliovirus h a sido utilizada, h a b i é n d o s e
o b s e r v a d o , aunque m u y infrecuentemente, casos d e aparición
de la e n f e r m e d a d asociados a vacunación (35). Por otra parte,
la eficacia d e vacunas sintéticas basadas e n subunidades
virales, q u e presentan una serie d e ventajas potenciales
importantes frente a las convencionales, se v e también
afectada p o r las características d e las cuasiespecies virales.
Recientes estudios h a n puesto e n evidencia q u e la selección d e
variantes antigénicos virales, capaces d e escapar a la
neutralización p o r los anticuerpos o al reconocimiento p o r
linfocitos citotóxicos, p u e d e contribuir a la limitada
p r o t e c c i ó n conferida p o r estas vacunas (3, 3 9 ) . Este e s c a p e
viral se da c o n m u c h a m e n o r frecuencia cuando se e m p l e a
virus c o m p l e t o c o m o vacuna, d e b i d o , p r o b a b l e m e n t e , a q u e
la respuesta inducida p o r los p é p t i d o s e i n m u n ó g e n o s
sencillos estimula u n repertorio considerablemente m á s
restringido d e m e c a n i s m o s inmunes e n el h o s p e d a d o r , lo q u e
h a c e m á s p r o b a b l e la selección d e variantes virales dentro d e
la cuasiespecie. Dada la heterogeneidad y continua
p r o d u c c i ó n d e variantes durante la multiplicación d e virus
RNA, las vacunas d e b e n ser multivalentes y las terapias c o n
agentes antivirales d e b e n ser terapias d e c o m b i n a c i ó n . De
nuevo, este aspecto práctico derivado d e la dinámica d e
cuasiespecies, fue subrayado e n artículos anteriores (6, 7).
El m o d e l o d e cuasiespecies p r e d i c e la existencia d e u n valor
umbral d e tasas d e error p o r encima del cual n o p u e d e
mantenerse la información genética del virus (17). Esta
predicción teórica h a encontrado a p o y o experimental e n
resultados obtenidos c o n poliovirus, VEV (23) y virus d e la
inmunodefiencia h u m a n a (25). C o n t o d o s estos virus se
observó q u e la presencia d e mutágenos q u í m i c o s q u e
incrementaban las tasas d e error p o r encima d e las basales
durante la replicación viral, producía una p é r d i d a acusada d e
infectividad q u e se interpretó c o m o resultado d e violación del
umbral d e error y entrada del virus e n catástrofe d e error. E n
conclusión, la dinámica d e cuasiespecies i m p o n e estrategias
para la prevención y tratamiento d e e n f e r m e d a d e s víricas q u e
n o s o n las e m p l e a d a s d e m o d o general, y también abre la
posibilidad d e ensayar nuevas estrategias antivirales, c o m o la
entrada d e virus e n catástrofe d e error, actualmente e n curso
de investigación.
Aspectos ecológicos y evolutivos
Las emergencias y reemergencias d e e n f e r m e d a d e s víricas
tienen c o m ú n m e n t e u n origen multifactorial e n el q u e p u e d e n
intervenir influencias ecológicas, ambientales y demográficas
(27, 2 9 , 30, 36, 37). E n los últimos 15 años se h a n descrito
40 virus h u m a n o s emergentes, varios d e ellos c o n u n origen
zoonótico, a d e m á s d e un, n ú m e r o parecido d e virus
emergentes q u e afectan a animales y plantas. Existe creciente
evidencia d e q u e la dinámica evolutiva d e l o s virus p u e d e
jugar u n p a p e l importante e n estas emergencias, e n
conjunción c o n los factores ambientales q u e p u e d e n facilitar
Rev. sci. tech. Off. int. Epiz., 19 (1)
contactos entre organismos infectados y nuevas especies d e
h o s p e d a d o r e s potenciales.
Hay varios e j e m p l o s q u e ilustran el efecto d e la variación
genética viral e n la emergencia d e una enfermedad. Una es la
aparición d e la encefalitis equina epizoótica e n algunas
regiones d e América del Sur. Estudios genéticos recientes c o n
el alfavirus causal sugieren q u e u n n ú m e r o limitado d e
sustituciones d e a m i n o á c i d o e n d o s proteínas víricas p u e d e
desencadenar la aparición d e u n virus e p i z o ó t i c o a partir d e
una reserva enzoótica n o patogénica (40). La aparición d e
varios brotes d e gripe h u m a n a tipo A h a sido asociada a
alteraciones del virus e n forma d e reordenamientos genéticos
p o r los q u e virus h u m a n o s circulantes adquirieron los
segmentos codificantes d e la hemaglutinina y neuraminidasa,
provenientes d e virus d e gripe animales (41). Así u n virus
H1N1 pasó a H 2 N 2 y originó la gripe asiática d e 1957, y u n
salto d e H 2 N 2 a H 3 N 2 originó la gripe d e H o n g K o n g d e
1968. Estas sustituciones p r o d u c e n u n "salto" antigénico e n
estas glicoproteínas d e superficie q u e s o n clave para la
respuesta d e anticuerpos anti-virus, p o r lo q u e el n u e v o virus
halla una p o b l a c i ó n h u m a n a sin anticuerpos protectores e n la
q u e p u e d e expandirse d e forma p a n d é m i c a . Otro e j e m p l o
b i e n d o c u m e n t a d o d e emergencia vírica d e b i d a a u n c a m b i o
genético e n u n virus circulante l o constituye la aparición d e l
parvovirus canino (34). Ello ocurrió e n los años 1970 c o m o
resultado d e unas p o c a s sustituciones d e aminoácidos e n la
cápsida d e u n parvovirus felino, sin q u e e n este caso
m e d i a s e n , aparentemente, circunstancias externas especiales
de tipo ambiental u otras.
Esos ejemplos n o s llevan a una serie d e consideraciones acerca
de la capacidad adaptativa d e los virus, e n particular l o s virus
RNA o los virus DNA d e p o c a complejidad genética, e n
relación c o n el peligro d e emergencia d e nuevas e n f e r m e d a d e s
víricas p o r expansión del rango d e h o s p e d a d o r . Una d e ellas
es q u e si b i e n e n m u c h o s casos la variación genética del virus
n o p u e d e demostrarse c o m o causa d e una emergencia viral,
t a m p o c o p u e d e excluirse. Para ello debería aislarse u n virus
parental e n u n h o s p e d a d o r , el emergente e n el n u e v o
h o s p e d a d o r y demostrarse q u e la secuencia c o n s e n s o d e
nucleótidos d e a m b o s virus es idéntica e n t o d o el g e n o m a . Por
razones obvias resulta altamente i m p r o b a b l e q u e dichas
circunstancias p u e d a n darse. Pero l o q u e sí s a b e m o s es q u e los
virus están diseñados c o m o máquinas replicativas q u e
esperan su oportunidad para explotar su capacidad d e
adaptación. Aunque las probabilidades d e q u e u n espectro d e
mutantes encuentre u n n u e v o h o s p e d a d o r e n el q u e u n
mutante e n particular p u e d a multiplicarse s o n bajas, n o s o n
nulas.
Existe una larga tradición d e emplear virus p a t ó g e n o s para el
control d e plagas, c o m o los baculovirus para aniquilar ciertas
especies d e insectos o el virus d e la mixomatosis para
controlar las p o b l a c i o n e s d e conejos e n Australia (19).
Recientemente esta práctica se h a extendido al virus d e la
61
Rev. sci. tech. Off. int. Epiz., 19(1)
enfermedad hemorrágica del c o n e j o para disminuir las
poblaciones d e este m a m í f e r o e n Australia y Nueva Zelanda.
T o d o l o q u e s a b e m o s s o b r e dinámica poblacional y capacidad
adaptativa d e virus RNA desaconseja la liberación d e virus
virulentos, incluso si t o d a la evidencia experimental
disponible sugiere q u e se trata d e virus c o n una acusada
especificidad
d e h o s p e d a d o r . Recientemente, h e m o s
observado q u e la p r o p a g a c i ó n del VFA e n cultivos celulares
ocasiona una ampliación d e los tipos d e células q u e p u e d e n
ser infectadas p o r el VFA e n cultivos in vitro (1). Si ello ocurre
en u n ambiente b i o l ó g i c o relativamente constante c o m o es el
p r o p o r c i o n a d o p o r u n cultivo d e una línea celular establecida,
n o p u e d e descartarse una variación e n el rango d e h o s p e d a d o r
durante la multiplicación d e u n virus e n su h o s p e d a d o r
natural. L o s c a m b i o s d e h o s p e d a d o r s o n acontecimientos
aleatorios e i m p r e d e c i b l e s . Por l o tanto, n o p a r e c e aconsejable
limitar el tamaño poblacional d e una e s p e c i e animal presente
c o m o plaga e n una zona geográfica e m p l e a n d o para ello u n
virus RNA p a t ó g e n o q u e se multiplica extensamente e n c a d a
uno d e los animales p o r eliminar.
Perspectivas
La c o m p l e j i d a d p o b l a c i o n a l d e los virus RNA, i n s o s p e c h a d a
hace tan solo d o s décadas, h a abierto una serie d e
interrogantes q u e actualmente se hallan sin resolver: ¿hasta
qué p u n t o los m é t o d o s actuales d e clonaje molecular y
secuenciación p e r m i t e n definir una p o b l a c i ó n viral altamente
heterogénea? ¿Qué determina las grandes variaciones e n
niveles d e h e t e r o g e n e i d a d genética entre u n o s virus y otros?
¿Qué relevancia tiene la variabilidad genética e n patogenia
viral? ¿Será p o s i b l e , aún c o n vacunas polivalentes, lograr una
vacuna realmente eficaz contra virus altamente variables? ¿No
d e b e r í a n supervisarse m á s estrechamente las infecciones d e
animales e n previsión d e u n p o s i b l e salto a otras especies,
incluida la humana? Estas s o n algunas preguntas amplísimas
q u e n o d e b e n h a c e r olvidar otras m á s concretas q u e se están
a b o r d a n d o e n m u c h o s laboratorios tanto al e m p l e a r virus
h u m a n o s c o m o virus animales d e interés veterinario. Por
e j e m p l o , ¿qué c a m b i o s d e a m i n o á c i d o e n las proteínas d e la
superficie d e las partículas víricas propician u n c a m b i o d e
r e c o n o c i m i e n t o d e receptores celulares? ¿Qué c a m b i o s
genéticos e n l o s virus p u e d e n propiciar aumentos d e eficacia
biológica y q u é c a m b i o s propician su pérdida? ¿Qué c a m b i o s
d e a m i n o á c i d o p u e d e n conferir resistencia a anticuerpos
neutralizantes o a células T citotóxicas? Estas y otras m u c h a s
cuestiones, todas ellas relacionadas c o n variabilidad genética
de virus RNA, t a m b i é n inciden e n nuestra capacidad para
p o d e r algún día controlar mejor las e n f e r m e d a d e s virales. N o
d e b e m o s olvidar q u e h a c e tan solo tres d é c a d a s existía una
profunda convicción e n los estamentos científicos d e q u e las
e n f e r m e d a d e s bacterianas se hallaban m u y cerca d e la
erradicación total y d e q u e las e n f e r m e d a d e s virales
precisaban tan s ó l o del desarrollo d e algunos agentes
antivirales. La realidad actual es c o m p l e t a m e n t e distinta y, al
m e n o s e n parte, ello se d e b e a la dinámica evolutiva d e l
mundo microbiano.
Agradecimientos
Este trabajo h a sido s u b v e n c i o n a d o p o r la
PM97-0060-C02-01,
CICYT B I O 9 - 0 4 0 0 0 , UE
PL97-3665 y la F u n d a c i ó n R a m ó n Areces.
DGES
FAIR5
•
Quasispecies and molecular evolution of viruses
E. Domingo, E. Baranowski, J.I. Nuñez, CM. Ruiz-Jarabo, S. Sierra,
N. Molina & F. Sobrino
Summary
Ribonucleic acid (RNA) viruses evolve as complex distributions of genetically
different but closely related variants termed viral quasispecies. The precise
genome of a quasispecies cannot be defined, since the consensus genome is an
average of many variants. The dynamics of quasispecies has considerable
implications for the understanding of the adaptability and pathogenic potential of
viruses, and in addition, for the design of preventive and therapeutic measures for
the diseases caused by these viruses. The authors summarise current knowledge
on the structure of quasispecies, and the biological implications of this structure.
Keywords
Biological aptitude - Competition - Emerging diseases - Mutation - Quasispecies Selection - Viral escape - Viruses - Zoonoses.
Rev. sci. tech. Off. int. Epiz., 19 (1)
62
Les quasi-espèces et l'évolution moléculaire des virus
E. Domingo, E. Baranowski, J.I. Nuñez, CM. Ruiz-Jarabo, S. Sierra,
N. Molina & F. Sobrino
Résumé
Les virus à ARN évoluent comme des distributions complexes de variants
différents entre eux mais étroitement liés génétiquement, que l'on appelle des
quasi-espèces virales. Chez les quasi-espèces, il n'existe pas de génome que l'on
puisse définir de manière précise, parce que le génome consensus est une
moyenne de variants. La dynamique des quasi-espèces a un nombre
considérable de conséquences pour la compréhension de l'adaptabilité des virus,
de leur pouvoir pathogène et de leur persistance, ainsi que pour la mise en œuvre
de stratégies de prévention et de contrôle des maladies virales. Les auteurs
résument l'état actuel des connaissances sur la structure des quasi-espèces et
sur leurs conséquences biologiques.
Mots-clés
Aptitude biologique - Compétition - Échappement viral - Maladies émergentes Mutation - Quasi-espèces - Sélection - Virus - Zoonoses.
m
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