anuska

24 -Oncogenes como replicones insertados en el mundo de ADN

2007-11-06T07:01:47+00:00

La comparación de retrovirus y sus equivalentes oncogenes celulares ha permitido también demostrar grandes diferencias entre las velocidades de evolución del “mundo ARN” y del “mundo ADN”. El ADN de retrovirus se integra en el ADN celular y, en muchos casos, parece que se ha “fosilizado” en el cromosoma animal durante millones de años. El gen c-mos de ratón tiene a un homólogo viral v-mos en el virus Maloney de sarcoma murino. T. Goyobori y S. Yokohama calcularon que la evolución del gen viral v-mos era 0´0013 sustituciones por nucleótido y año, mientras que la de c-mos era un millón de veces menor. Este ejemplo pone de relieve de nuevo la coexistencia en nuestra biosfera de un mundo basado en ADN con otro altamente dinámico de replicones de ARN.

23 - Estasis evolutiva

2007-11-06T07:01:47+00:00

La comparación de velocidades de evolución para virus muy distintos indica que la mayoría de ellas se sitúa en el rango de 0´1 a 0´01 sustituciones fijadas en el ARN genómico por nucleótido y año. No obstante, algunos virus muestran velocidades de evolución algo más bajas. Así, el virus de la gripe que parasita muchas aves manifiesta “estasis” o quietud evolutiva frente al correspondiente virus humano que en general evoluciona rápidamente.
Otro caso interesante es el del virus de la encefalomielitis equina para el que se ha demostrado experimentalmente que la menor fijación de mutaciones durante la evolución natural del virus no se debe a menores frecuencias de mutante en las poblaciones sino probablemente a fuertes restricciones funcionales o a otros factores epidemiológicos difíciles de precisar.
Existen al menos dos parámetros importantes que pueden influir en la velocidad de evolución de un virus en la naturaleza. Uno es el número de rondas de replicación que sufre el material genético del virus por unidad de tiempo. Aunque el número de replicaciones de un virus in vivo es muy difícil de estimar, cabe la posibilidad que en ciertas situaciones pudiera replicar más lentamente o incluso “congelarse” en forma de partículas biológicamente inertes. Esta posibilidad no ha sido estudiada con suficiente detalle todavía. En el caso del virus de la fiebre aftosa, se han comprobado velocidades de evolución durante distintos tipos de infecciones experimentales y en el campo. Se observó una mayor fijación de mutaciones durante una infección persistente experimental durante epidemias naturales. Esta diferencia fue interpretada como un reflejo de la continua replicación viral durante la persistencia en animales y la intermitente ausencia de replicación durante brotes epidémicos.
El segundo parámetro es la perturbación del equilibrio poblacional ya sea por deriva genética o por selección. No importa cuál sean las tasas de mutación, en condiciones de equilibrio poblacional no existirá evolución a pesar de la continua generación de mutantes. Este hecho paradójico, que tiene su origen en la acción depuradora de la selección negativa, justifica la aseveración de que un virus ARN está “mutando hacia así mismo”.

22 -Velocidades de evolución. Dinámica del mundo ARN en una biosfera basada en ADN.

2007-11-06T07:01:36+00:00

J. J. Holland y colaboradores en un influyente artículo publicado en 1982 resaltaron que las perturbaciones de equilibrio poblacional son las principales promotoras de variación viral. Pusieron de relieve algunas de las implicaciones biológicas de la alta mutabilidad de los virus ARN que no habían recibido la suficiente atención de los virólogos. En particular, calcularon que la velocidad de evolución era millones de veces superior para virus ARN que para organismos celulares. Resultados recientes con numerosos virus han confirmado la rápida evolución de la mayoría de virus ARN.
Muy particularmente, el esfuerzo que actualmente se está haciendo para entender y tratar de controlar el VIH-1, el agente causal del sida, ha proporcionado secuencias nucleotídicas de multitud de aislados. Los resultados han establecido la estructura en cuasiespecies y rápida evolución de virus ARN y de genes celulares.

21 -Equilibrio poblacional

2009-02-13T21:24:51+00:00

Cuasiespecies virales altamente adaptadas al ambiente en el que replican mantendrán constante su secuencia consenso, aunque el espectro de mutantes pueda sufrir alteraciones como resultado de la generación estocástica de mutaciones. Una cuasiespecie replicante que mantiene su secuencia promedio invariable, decimos que se halla en equilibrio poblacional.
Un ejemplo: en el bacteriófago QB, que había sido propagado siempre en Escherichia coli desde su aislamiento en Kyoto en 1961, pasando por Tokio, Nueva York y Zürich hasta la década de los setenta. En aquellos tiempos los investigadores solían dar un paso de amplificación a un virus cuando lo necesitaban sin reparar en que podrían ocurrir variaciones genéticas. En el preparado del fago QB propagado muchas veces en Escherichia coli apenas se observaron variaciones genéticas excepto cuando el virus fue sometido a clonaje biológico, proceso que reveló su estructura en cuasiespecies. El bacteriófago QB se hallaba probablemente en un estado de equilibrio poblacional en el que la secuencia promedio se mantenía constante debido al ambiente homogéneo y a pesar de la continua multiplicación del virus con altas tasas de mutación.
Otro ejemplo de equilibrio poblacional fue descrito por J.J. Holland y sus colaboradores al observar la constancia de la secuencia consenso del virus de la estomatitis vesicular aislado varias veces de placa y propagado centenares de veces a diluciones altas para evitar la aparición de partículas defectivas interferentes. También, como en el caso del fago QB, aquí se observó un amplio espectro de mutantes a pesar de una relativa constancia de la secuencia promedio.
La organización de las cuasiespecies en torno a una secuencia maestra implica que cualquier variante nuevo con una desventaja selectiva respecto al conjunto de variantes que define la población, se mantendrá en baja proporción. Este proceso de eliminación de variantes poco aptos se denomina selección negativa, en contraposición a la selección positiva o Darviniana que define una ventaja directa de un tipo concreto de variante. La competición entre variantes es el factor decisivo en ambos tipos de selección.
El equilibrio poblacional en las cuasiespecies virales se mantiene como balance entre la aparición de nuevos mutantes y su eliminación por acción de la selección negativa. Diversas líneas de investigación permiten sugerir que tanto la selección positiva como la selección negativa juegan un importante papel en los procesos de diversificación genética y antigénica pero es muy difícil, por el momento, saber cuál de las dos tiene el papel más importante como motor de la evolución de virus.

20 -Una gran estrategia adaptativa

2007-11-06T07:01:13+00:00

La variabilidad genética es fuente de adaptabilidad. Para organismos sexuales la consaguinidad conlleva pérdida de diversidad e incrementa las probabilidades de extinción. Modelos experimentales han documentado que poblaciones altamente consanguíneas son más susceptibles a estrés ambiental. Incluso una selección unidireccional fuerte, o procesos de deriva genética actuando sobre tamaños poblacionales pequeños, pueden disminuir la diversidad poblacional y conducir a la extinción. A estos procesos, que se conocen como erosión genética, los virus ARN oponen una maquinaria replicativa capaz de suministrar un amplio conjunto de variantes que agilizan las respuestas a cambios ambientales. Las cuasiespecies víricas parecen conjuntos de mutantes modestamente agazapados pero preparados para ser seleccionados en cuanto las circunstancias lo demanden.
La estrategia de supervivencia de los virus ARN yace en la permanente habilidad de crear diversidad.

19 - Los virus ARN de animales y plantas son cuasiespecies

2007-11-06T06:59:16+00:00

Numerosos trabajos han confirmado la estructura en cuasiespecies de virus ARN de animales y plantas. Nuestro grupo de Madrid ha investigado durante los últimos quince años la naturaleza en cuasiespecies del virus de la fiebre aftosa y sus implicaciones biológicas, en particular el proceso de diversificación antigénica. Paralelamente, el grupo de J.J. Holland en La Jolla abordó estudios de genética del virus de la estomatitis vesicular con conclusiones muy parecidas a las nuestras, a pesar de tratarse de virus con estructura, organización genética y ciclos de replicación muy diferentes.
Los nuevos conceptos sobre genética de ARN derivados de éstos y otros muchos estudios han sido resumidos en varios artículos en los que se han comparado distintos sistemas virales y se han analizado diversas implicaciones biológicas de la estructura en cuasiespecies de los virus ARN.
En el caso extremo de que el virus dependiese de una única secuencia de nucleótidos para ser funcional, cualquier mutación sería letal y la secuencia inicial se mantendría invariable. Las cuasiespecies como tales serían difícilmente identificables ya que los espectros de mutantes consistirían a lo sumo en genomas defectivos, no infecciosos que sólo podrían alcanzar concentraciones medibles por complementación, en el caso de que pudieran replicarse eficazmente con la maquinaria enzimática proporcionada por el virus infeccioso. En el otro caso extremo, e igualmente inverosímil, de que cualquier mutación fuese estrictamente neutral, y por tanto perfectamente tolerada, la identidad de secuencia se disiparía rápidamente pasando por un amplísimo y desorganizado espectro de mutantes. Obviamente esta posibilidad es incompatible con los requerimientos funcionales de los productos virales: los centros activos de enzimas, los puntos de interacción de ARN viral con componentes celulares no admiten tal “difusión” de información.
En la realidad se da una situación intermedia entre las representadas por los extremos mencionados. Existe un amplio rango de tolerancias a mutaciones. Algunas mutaciones casi neutrales serán libremente aceptadas por los genomas virales con mínimas consecuencias para su eficacia biológica. Otras, en cambio, serán profundamente desventajosas o incluso letales y se hallarán en muy baja proporción o ausentes en las poblaciones víricas. En otras palabras, las distribuciones genómicas no son conjuntos aleatorios de genomas sino que son conjuntos organizados. Obviamente, existe un elemento de azar en los mutantes que surgen en cada replicación. La influencia de este elemento aleatorio an la composición de las cuasiespecies será tanto mayor cuanto menor sea el tamaño poblacional replicativo que consideremos. Las cuasiespecies víricas son complejas distribuciones de genomas distintos aunque muy relacionados, que fluctúan de modo aparentemente muy difícil de predecir. La búsqueda de reglas, si las hubiese, que permitan anticipar, al menos en parte, el comportamiento de las cuasiespecies es un importante desafío que tiene planteada la virología poblacional.

18 - Sociología de una cuasiespecie

2007-11-06T06:59:16+00:00

M. Eigen ha destacado que una cuasiespecie es una unidad evolutiva en su conjunto cuyo comportamiento no puede explicarse como mera suma de comportamientos de los individuos que la componen.
Algo parecido a lo que ocurre con las opiniones individuales de doctores universitarios que a menudo difieren de las que después expresan cuando están reunidos en un claustro decisorio. Tanto simulaciones de computador con sistemas simples como resultados experimentales con virus completos han demostrado que un individuo apto rodeado de una cuasiespecie inadecuada puede ser engullido en el espectro de mutantes sin tener opción a demostrar sus habilidades.
En cambio, un individuo en principio menos eficaz biológicamente pero rodeado de un entorno favorable de mutantes puede acabar dirigiendo al conjunto. El “más listo” debe moderar sus pretensiones de “elite” y saber rodearse de un entorno colaborativo para no perecer en manos de sus dominados.
El concepto de cuasiespecie como unidad de selección complica, todavía más si cabe, intentos de predicción del comportamiento de virus ARN en la miríada de entornos que ofrece la naturaleza.

17 - Competitividad de variantes

2007-11-06T06:59:01+00:00

Suponiendo que durante la replicación las mutaciones ocurriesen estocásticamente y que su presencia no afectase a la replicación viral, los errores genéticos se repartirían entre los genomas de acuerdo con la distribución de Poisson.
Las distribuciones teóricas no se cumplen en la realidad porque muchas mutaciones no son neutrales y algunas de ellas incluso pueden comprometer seriamente la replicación del sistema. De hecho, con una información genética tan compacta como la codificada en un virus ARN, quizá no exista ninguna mutación estrictamente neutral.
Un ejemplo muy claro es un genoma con un solo cambio de nucleótido pero que corresponda a un cambio de aminoácido en el sitio catalítico de la ARN replicasa del virus. Esta mínima lesión genética tiene gran probabilidad de ser muy deletérea para el virus. Cada posible mutación en un genoma viral tendrá cierto efecto sobre la eficacia biológica del genoma mutante. Por ello, la ordenación de variantes no será geométrica y pulida como es el espacio de secuencias.
El valor biológico de cada uno de los variantes inmersos en la cuasiespecie determina la proporción con la que cada variante estará presente en la población. Ahora bien, el valor biológico depende del ambiente, de modo que, a menos que las condiciones ambientales permanezcan controladas y constantes, la superioridad o inferioridad de un variante en particular será fugaz. Al considerar la multiplicación de una cuasiespecie viral en el heterogéneo mosaico de células, tejidos y órganos que son un animal o una planta, la dinámica de las cuasiespecies estará continuamente sometida a perturbación. Poco queda de las distribuciones de Poisson teóricas. Las reglas de competición entre variantes, que en gran parte son desconocidas, gobiernan la evolución de las cuasiespecies in vivo.

16 - El concepto

2007-11-06T06:56:52+00:00

Los estudios con el bacteriófago QB indicaron que el genoma de este virus no tiene una estructura fija sino que en realidad está compuesto por métodos de secuenciación disponibles requieren un gran número de moléculas que deben someterse a las modificaciones químicas o físicas relevantes. Por ello decimos que un genoma viral es estadísticamente definido pero individualmente indeterminado. Esta indeterminación se origina al no poder aislar una molécula genómica y a la vez precisar su secuencia de nucleótidos. A nivel poblacional, un genoma viral puede definirse mediante una secuencia consenso o promedio, pero en realidad está compuesto por un espectro de mutantes. A estas distribuciones de mutantes se les denomina cuasiespecies virales.
La distribución de secuencias presente en una cuasiespecie no es arbitraria sino que se centra en torno a una secuencia maestra que generalmente coincide con la secuencia promedio o consenso de la población.
En muchas cuasiespecies víricas la secuencia maestra no se puede identificar y, de hecho, suele se minoritaria en la población. Además, las perturbaciones a las que frecuentemente se someten las poblaciones virales hace que la secuencia maestra en torno a la que gravita el espectro de mutantes, tenga a menudo una vida media muy efímera.
El concepto de cuasiespecies fue propuesto por primera vez por M. Eligen, sobre las bases puramente teóricas, para explicar la estructura y adaptabilidad de los primitivos replicones en los albores de la vida sobre la tierra. La aplicación del concepto teórico a los virus actuales ha sido clave para entender la dinámica de las poblaciones virales.

15 -Ausencia de actividades correctoras

2007-11-06T06:56:14+00:00

El concepto de la alta mutabilidad de los virus ARN en general se ha visto reforzado con resultados de medidas de fidelidad de copia por ARN polimerasas y retrotranscriptasas in vitro. En ese sentido, resulta significativo que varias retrotranscriptasas y la ARN replicasa del virus d la poliomielitis mostraron tasas de error similares, que se estimaron en 0´001 a 0´0001 sustituciones por nucleótido copiado. Debe clarificarse que las tasas de mutación de las polimerasas pueden modificarse por multitud de parámetros ambientales entre los que se incluyen la concentración de los mucleósidotrifosfato sustratos, el ambiente iónico en el que se hallaba la enzima y el contexto de secuencia de nucleótido copiado. Estas influencias pueden conducir tanto a hipomutabilidad como a hipermutabilidad. Las tasas de mutación de 0´001 a 0´0001 sustituciones por nucleótido y ronda de replicación reflejan un valor promedio a lo largo del genoma viral y en condiciones fisiológicas normales.
¿Cuál es la base bioquímica de las altas tasas de mutación de replicasas y retrotranscriptasas víricas? La evidencia experimental obtenida hasta ahora apunta a la ausencia de las funciones de corrección y reparación de ácidos nucleicos. Estas funciones, en cambio, están asociadas a ADN polimerasas celulares confiriéndose una fidelidad basal de estas enzimas está determinada primariamente por la termodinámica de las interacciones entre molde y sustratos nucleotídicos o bien si la estructura proteica de la enzima es importante para determinar unos niveles de error de copia.
Si esto fuese así, la fidelidad de copia sería manipulable por alteración de los enzimas o por interacción de éstas con agentes químicos. Ello tendría notables implicaciones para diseño de nuevas estrategias antivíricas.
Es importante destacar que las tasas de mutación para virus ARN imponen un dinamismo tal al mundo de replicones de ARN que frecuentemente éstos se convierten en elementos perturbadores de un mundo de ADN relativamente más estático.