Ómicron se originó en el ratón

Evidencia del origen en el ratón de la variante Ómicron del SARS-CoV-2

 



 

La rápida acumulación de mutaciones en la variante Ómicron del SARS-CoV-2 que permitió su brote, plantea interrogantes sobre si su origen próximo ocurrió en humanos u otro huésped mamífero.

La pandemia de la enfermedad del coronavirus 2019 (COVID-19), causada por el virus ARN del SARS-CoV-2, ha provocado enfermedades y muertes importantes en todo el mundo. La variante Ómicron del SARS-CoV-2 se informó por primera vez en Sudáfrica el 24 de noviembre de 2021, y la Organización Mundial de la Salud (OMS) la designó como variante de preocupación (VOC) en dos días en función del aumento de infecciones atribuibles a esta variante en Sudáfrica (es decir, brote de Ómicron). Además, el marco de lectura abierto que codifica la proteína de espiga (S) de Ómicron alberga un número excepcionalmente alto de mutaciones.

Estas mutaciones son particularmente relevantes para las características de la infección porque se sabe que la proteína espiga del SARS-CoV-2 es crítica para la entrada viral en la célula huésped al interactuar con  el receptor ACE2 en la superficie celular .

Los orígenes próximos de Ómicron se han convertido rápidamente en un tema controvertido de acalorado debate en las comunidades científica y de salud pública .

Muchas mutaciones detectadas en Ómicron rara vez se han encontrado en otras variantes de SARS-CoV-2 secuenciadas previamente .Por esto, hay tres hipótesis prevalentes con respecto a la generación de Ómicron . La primera hipótesis es que Ómicron podría haberse «propagado crípticamente» y circulado en una población con vigilancia y secuenciación viral insuficientes .

La segunda hipótesis postula que Omicron podría haber evolucionado en un paciente con infección crónica por COVID-19, como un individuo inmunodeprimido que proporcionó un entorno huésped adecuado propicio para la adaptación del virus intrahospitalario a largo plazo.

La tercera hipótesis postula que Ómicron podría haber acumulado mutaciones en un huésped no humano y luego saltar a los humanos. Hasta la fecha de la publicación muy reciente de    Wei y colaboradores ( https://doi.org/10.1016/j.jgg.2021.12.003 )  la segunda  hipótesis representaba  la más popular sobre los orígenes proximales de Ómicron .

Las dos primeras hipótesis asumen que Ómicron adquirió estas mutaciones en humanos (denominadas colectivamente en lo sucesivo «hipótesis del origen humano»), mientras que la tercera asume que Ómicron adquirió mutaciones en una especie no humana.Pero con el estudio ahora publicado de Wei y colaboradores es la tercera hipótesis que tiene sustento científico fuerte (https://doi.org/10.1016/j.jgg.2021.12.003).

Wei y colaboradores   basados en su trabajo anterior sobre evolución viral, plantearon la hipótesis de que la especie huésped en la que Ómicron adquirió su conjunto particular de mutaciones podría determinarse analizando los espectros moleculares de mutaciones (es decir, la frecuencia relativa de los 12 tipos de sustituciones de bases).

En un trabajo anterior, mostraron que las mutaciones de novo en los genomas de los RNA virus se generan de manera independiente de la replicación y son altamente dependientes de mecanismos mutagénicos específicos del entorno celular del huésped, lo que da como resultado una sobrerrepresentación de tipos de mutación específicos.

Por ejemplo, las especies reactivas de oxígeno (ROS) pueden oxidar la guanina a 8-oxoguanina y así inducir la transversión G>U , mientras que las citidina desaminasas pueden inducir la edición de RNA como C>U . De acuerdo con este fenómeno, se encontró que los virus que pertenecen a diferentes órdenes (p. Ej., Poliovirus, virus del Ébola y SARS-CoV-2) exhiben espectros moleculares de mutaciones similares cuando evolucionan en la misma especie huésped, mientras que los miembros de la misma especie de virus exhiben espectros moleculares divergentes cuando evolucionan en diferentes especies de huéspedes .

Dado que las mutaciones de novo pueden influir fuertemente en el espectro molecular de mutaciones que se acumulan durante la evolución del virus de una manera específica del huésped, la especie del huésped en la que Ómicron adquirió sus mutaciones podría determinarse analizando la información transportada por las mutaciones mismas.

En su reciente estudio descrito aquí, Wei y colaboradores identificaron mutaciones adquiridas por Ómicron antes de su brote y determinaron si el espectro molecular de estas mutaciones era consistente con el entorno celular de los huéspedes humanos ( i.e.ver si las mutaciones sugerían que se habían generado en células humanas). Encontraron diferencias prominentes entre el espectro molecular de Ómicron y un conjunto relativamente completo de espectros moleculares de otras variantes que se sabe que han evolucionado en humanos, incluidas las de tres aislados de pacientes con COVID-19 crónico.

Luego, examinaron los espectros moleculares de mutaciones obtenidas de una amplia gama de mamíferos huéspedes para compararlos con los que se observan en Ómicron. Finalmente, utilizaron análisis basados ​​en acoplamiento molecular para investigar si las mutaciones en la proteína de la espiga de Ómicron podrían estar asociadas con la adaptación a la especie huésped inferida del análisis de espectro molecular.

El estudio de Wei y colaboradores proporciona información sobre la trayectoria evolutiva y los orígenes proximales de Omicron a través de un escrutinio cuidadoso de sus mutaciones.

Identificaron 45 mutaciones puntuales que Ómicron adquirió desde la divergencia del linaje B.1.1 (Figura 1). Descubrieron que la secuencia de la proteína espiga de Ómicron se sometió a una selección positiva más fuerte que la de cualquier variante de SARS-CoV-2 informada , que se sabe que evoluciona de manera persistente en huéspedes humanos, y abrió la posibilidad de que el SARSCOV2  saltó del huésped humano a otra especie huesped.

El espectro molecular de mutaciones (es decir, la frecuencia relativa de los 12 tipos de sustituciones de bases) adquirido por el progenitor de Ómicron fue significativamente diferente del espectro de virus que evolucionaron en pacientes humanos, pero se asemejó a los espectros asociados con la evolución del virus en un entorno celular del  ratón (Figuras 2 y 3). Además, las mutaciones en la proteína de la espiga de Ómicron se superpusieron significativamente con las mutaciones del SARS-CoV-2 que se sabe que promueven la adaptación a los hospedadores de ratón, particularmente a través de una mayor afinidad de unión de la proteína de espiga (S) por el receptor(ACE2) de entrada en células de ratón (Figuras 2 y 3).

Los investigadores, usaron el espectro molecular de mutaciones de la variante Ómicron del SARS-CoV-2 para rastrear sus orígenes proximales del hospedador(i.e. donde se generó Ómicron). Descubrieron que el espectro molecular de las mutaciones de Ómicron previas al brote era inconsistente con la rápida acumulación de mutaciones en humanos, pero más bien sugería una trayectoria en la que el progenitor de Ómicron experimentó un evento zoonótico inverso (paso de ) de humanos a ratones en algún momento durante la pandemia (muy probablemente a mediados de 2020) y mutaciones acumuladas en un ratón huésped durante más de un año antes de volver a los humanos a fines de 2021. Mientras evolucionaba en ratones, el progenitor de Ómicron se adaptó al huésped del ratón adquiriendo mutaciones de aminoácidos en la proteína de la espiga  que aumentaron su afinidad de unión con los receptores ACE2 de las células del ratón (Figuras 2 y 3). Además, se acumularon mutaciones asociadas con el escape inmunológico, que también pueden ser un factor que contribuya a su rápida propagación en humanos.

Las variantes B.1.1 mostraron las similitudes de secuencia más altas con Ómicron en la base de datos GISAID (donde también se depositaron virus relacionados con el SARS-CoV-2, como los aislados de murciélagos), lo que sugiere fuertemente que el progenitor de Ómicron saltó de los humanos, en lugar de otro animal (como los murciélagos), a los ratones.

Wei y colaboradores estudiaron esta posibilidad mediante la búsqueda BLAST contra la base de datos GISAID utilizando la secuencia principal de Ómicron.

Los principales HITS fueron nuevamente del linaje B.1.1, que se diferenciaba de Ómicron por 31 mutaciones, lo que indica que las variantes del SARS-CoV-2 humano informadas hasta la fecha, no podrían proporcionar una columna vertebral para Ómicron (Figura 1). Además, el espectro molecular de estas 31 mutaciones en Ómicron fué significativamente diferente del espectro de hSCV2 (P = 0,008, prueba G), lo que sugiere que estas mutaciones de la columna vertebral no se adquirieron en humanos.

La Figura 1  muestra una rama filogenéticamente larga que conduce al MRCA de las variantes actuales de Ómicron (es decir, Rama O ).

Aunque los investigadores se  centraron principalmente en mutaciones puntuales porque el espectro molecular de estas mutaciones puede reflejar el entorno celular del huésped, también estudiaron las deleciones e inserciones que podrían usarse para inferir la trayectoria evolutiva de Ómicron.

Por ejemplo, se observó que Ómicron albergaba una inserción de nueve nucleótidos (GAGCCAGAA, que codifica el péptido EPE) después del residuo 214 en la proteína de la espiga. Esta inserción es idéntica a la secuencia de TMEM245 en el genoma humano o la de ORF S en el coronavirus humano hCoV-229E, que previamente se utilizó como evidencia para apoyar el origen humano de Ómicron .

Sin embargo, una explicación más simple para esta inserción, es que se derivó de un fragmento de RNA de ORF N en el genoma del SARS-CoV-2 , porque la abundancia de RNA de ORF N es mucho mayor que la de mRNA codificado por el genoma humano .  Esto es especialmente cierto para ORF N debido a la naturaleza anidada del genoma y los subgenomas del coronavirus .

Las predicciones basadas en el acoplamiento molecular mostraron que la adaptación de Ómicron a ratones también promovió su adaptación a otras especies, como humanos, camellos y cabras, a través de una interacción RBD-ACE2 más fuerte (Fig. 2).

Tal «efecto pleiotrópico» de las mutaciones probablemente fue causado por la similitud estructural de ACE2 entre especies, e indica que una vez que una variante del SARS-CoV-2 adquiere la capacidad de infectar a un nuevo huésped, puede acumular mutaciones en este nuevo reservorio animal y se convierte en transmisible a otra especie huesped. Esta «reacción en cadena» de salto de hospedador podría potencialmente conducir a una diversidad notablemente alta en la adaptación a ACE2 de varias especies de hospedador.

Colectivamente, los resultados de Wei y colaboradores  sugieren fuertemente que el progenitor de Ómicron saltó de humanos a ratones, rápidamente acumuló mutaciones conducentes a infectar a ese huésped y luego saltó de regreso a humanos, lo que indica una trayectoria evolutiva entre especies para el brote de Omicron.

Los seres humanos representan el reservorio más grande conocido de SARS-CoV-2 y con frecuencia entran en contacto con otros animales, incluidos animales de ganado, mascotas o animales salvajes que invaden hogares en busca de alimento y refugio. Dada la capacidad del SARS-CoV-2 para saltar a través de varias especies, parece probable que las poblaciones globales enfrenten variantes adicionales derivadas de animales hasta que la pandemia esté bien bajo control.

Por lo tanto, el excelente y sorprendente estudio de Wei y colaboradores, enfatiza la necesidad de vigilancia viral y secuenciación en animales, especialmente aquellos en contacto cercano con humanos. Además, la caracterización computacional de la espiga RBD en animales y la identificación de su potencial para interactuar con ACE2 humano probablemente ayudarán a prevenir futuros brotes de variantes peligrosas del SARS-CoV-2.

 

 

 

Fig. 3. Afinidades de unión previstas entre variantes de RBD y ACE2 de ratón. A: Un esquema muestra el flujo de trabajo para estimar las puntuaciones de HADDOCK entre las variantes de RBD y el ACE2 del ratón. B: Las puntuaciones de HADDOCK para la interacción de varias variantes de RBD con el ratón. ACE2. Las barras de error representan errores estándar. El penta-mutante de RBD albergaba cinco mutaciones (K417N, E484A, Q493R, Q498R y N501Y).

Fig. 2. Mejora de la interacción prevista con ACE2 de varias especies de mamíferos causada por mutaciones de Ómicron antes del brote en la proteína de la espiga. Los valores de p se obtuvieron mediante pruebas t de dos colas. El árbol filogenético se construyó utilizando TimeTree, en la unidad de MY. MI, millones de años.

 

 

Figura 1. Árbol genético de la evolución del SARSCoV2 y sus variantes.

 

 

 

Ronald Palacios Castrillo, M.D.,Ph.D.