mutacions en virus de ARN

MUTACIONES EN VIRUS D’ARN

❖    Introducció:

Els virus que presenten ARN com a informació genètica són virus amb una alta taxa de virulència. Això és degut al fet que l’ARN és una molècula més propensa a patir mutacions i per tant els virus canvien les proteïnes de la càpsida, provocant que no puguin ser reconeguts per els anticossos i que siguin molt més resistents als tractaments amb vacunes. D’un any per l’altre aquest pot haver mutat i variat les seves característiques externes de tal forma que el antigen no és reconegut al nostre cos pels nostres anticossos.

En aquest blog es pretén explicar com es produeix aquest procés, a què es deuen les mutacions, quin tipus n'hi ha i altres conceptes clau en l'àmbit de la microbiologia, concretament en els microorganismes vírics.

❖    Virus RNA

[1]Els virus amb àcid ribonucleic (RNA) evolucionen com a distribucions complexes de diferents variants però estretament relacionats genèticament, que es denominen quasi-especies víriques. En les quasi-especies no existeix un genoma definit de manera precisa, ja que el genoma consens és una mitjana de variants. La dinàmica de quasi-especies te un considerable nombre d’implicacions per a entendre l’adaptabilitat de virus, el seu poder patogènic i de persistència, així com per al disseny d’estratègies per a la prevenció i control de les malalties que ocasionen.

També hi ha models de quasi-especies en els virus de DNA. Els virus complexos com poden ser els herpes, poden tenir característiques de quasi-especies.

❖    Origen comú?

L’Indici va tenir un origen teòric i un altre experimental, totalment independents. L’origen experimental del concepte de quasi-especies va procedir dels estudis de Weissmann i altres amb un bacteriòfag que infecta algunes descendències d’E.Coli, denominat fag QB.

El fag QB van indicar que el seu genoma no té una estructura fixa sinó que en realitat esta constituït per genomes que difereixen entre si en 1 o més nucleòtids. Es a dir:

- el genoma es estadísticament definit però individualment indeterminat

- el genoma dels virus es defineix en l’àmbit poblacional, mitjançant una seqüència consens o promitja, el que s’obté és un espectre de mutants = quasi-especie viral.

➢    Factors que en determinen l'aparició

Hi ha 2 “forces” actuant sobre la quasi-espècie:

▪      Mutacions: introdueixen variabilitat i tendeixen a ampliar la distribució de la quasi-espècie.

▪      Selecció natural: descarta a moltes mutacions però ser no aptes i tendeixen a afinar la distribució

➢    Tipus de mutacions

L’ARN té un estructura menys estable que l’ADN, el que fa que aquest sigui més propens a les mutacions , a més aquestes es poden veure induïdes per agents químics, com certs components o bé per agents físics com la llum UV i els rajos X. En podem trobar de dos tipus; les puntuals on una base és substituïda per una altra i les d'inserció/supressió d’aquesta.

▪      Exemples dels tipus de canvis fenotípics observats en els virus mutants:

●     Mutants letals condicionants: Es multipliquen en certes condicions, però en      altres no.

♦      Mutants termosensibles → creixen a baixes temperatures

♦      Gama de les cèl·lules hoste → creixen en un subgrup particular de cèl·lules

●     Mida de la placa

●     Resistència a fàrmacs

●     Mutants enzim-deficients: Hi ha enzims que no són essencials per tant es podran aïllar aquells mutants que no continguin certs enzims.

●     Mutants "calents": Creixen millor a altes temperatures

●     Mutants atenuats: Molts virus mutants redueixen els símptomes que presenta des d'un principi el virus progenitor.

❖    Mecanismes de replicació en un virus d’ARN doble cadena.

Els passos que es donen en la replicació en un virus ARN de doble cadena són[2]:

1.      Unió: No es coneix exactament la unió del virus, possible fusió de membranes o endosomes en la superfície cel·lular

2.      Transcripció reversa: penetració en la cèl·lula hoste, alliberació del genoma i dels enzims essencials ( transcriptasa reversa) i creen una còpia del RNA, seguida integració.

3.      Integració: l’enzim viral integrasa integra L’ARN del virió en el genoma de l’hoste.

4.      Transcripció: separació de cadenes ARN integrades, els enzims de la cèl·lula hoste creen una cadena complementaria, formació cadena ARN completa per a crear noves proteïnes virals.

5.      Traducció: els enzims de la cèl·lula hoste tradueixen l’ARNm en proteïnes víriques

6.      Formació del virus: les noves proteïnes és separen de L’ARNm i les cadenes són tallades per la proteasa viral per a l’acoblament final. Les cadenes d’ARN amb la càpsida i els enzims essencials es reorganitzen per formar el virus.

❖    Classificació de Baltimore

Aquesta classificació distribueix els virus en set grups, basant-se en la base química del genoma[3]:

-Grup I: Virus ADN bicatenari

Els virus d’ADN de dues cadenes entren en la cèl·lula i els ARN polimerases no distingeixen el genoma cel·lular del virió. Per tant formen ARNm, que es tradueix en els ribosomes i dóna lloc a proteïnes de la càpsida. Són el virus més simples.

-Grup II: Virus ADN monocatenari positiu

El seu material genètic és ADN d’una sola cadena. Ja que la seva polaritat és positiva necessita una cadena negativa per a poder transcriure. Per tant al entrar a la cèl·lula l’ADN polimerasa fa un ADN bicatenari que serveix per sintetitzar un ARNm que porta la informació.

-Grup III: Virus ARN bicatenari

Porten com a part del virió una transcriptasa viral que és un ARN polimerasa, que utilitza per a partir de la cadena negativa del ARN bicatenari, fabricar el ARNm. A més de ser un enzim és una proteïna estructural, ja que forma part de la càpsida.

-Grup IV: Virus ARN monocatenari positiu

Són virus simples, el seu genoma té naturalesa de ARNm.

-Grups V: Virus ARN monocatenari negatiu

Són virus amb polaritat antimissatger. Tenen un ARN polimerasa depenent de ARN d’una cadena. Així, dintre de la cèl·lula infectada formen l’ARN complementari al seu genoma i que actua com a ARNm.

-Grup VI: Virus ARN monocatenari retrotranscrit

Són virus d’ARN el qual el seu genoma pot actuar com a missatger però “in vivo” no ho fa. Tenen una transcriptasa inversa, que d’un genoma ARN aquest transcriu a una molècula d’ADN, primer de una cadena i desprès dos. Posteriorment i utilitzant els enzims cel·lulars es fa un missatger.  Aquests virus són capaços d’arribar el nucli de les cèl·lules i inserir-se en els cromosomes.

-Grup VII: Virus ADN Bicatenari retrotranscrit

És el grup més recent descobert i descrit. Té un genoma bicatenari que s’expressa  formant un missatger que es tradueix com el grup I. No obstant en el moment de la encapsidació, és el missatger el que s’encapsida. Quan ja és a l’interior forma una molècula de ADN, primer monocatenari i desprès bicatenari.

❖    Taxa de mutació

La taxa de mutació és el número de mutacions que poden donar-se en un gen en un temps determinat.

❖    “Tots els virus presenten taxes de mutació equivalents o  hi ha alguns grups on la taxa de mutació és més alta?”

A partir de les figures 1 i 2 podem observar que no tots els virus tenen la mateixa taxa de mutació, y que hi ha una correlació important entre el nombre de mutacions i la mida del genoma, també podem concloure que el fet de tenir ADN o ARN com a material genètic també es una dada significativa.

Per tant, no, no tots els virus presenten la mateixa taxa de mutació, tot i així tots els virus d’ARN tenen una mitja comuna de 10^-4 mutacions per replicació.

 

Figura1. Gràfic que representa la taxa de substitució de bases segons la mida del genoma en espècies víriques i bacterianes (esquerra). Gràfic que representa la taxa de mutació a escala general; animals, plantes, invertebrats, unicel·lulars, eucariotes i arquea (dreta).

 

Figura2. Taula de freqüències de mutació en diferents tipus de virus RNA.

❖    “Com afecta el fet de tenir el genoma segmentat en alguns virus d'ARN en la taxa de mutació i en la generació de progènies víriques?”

Els virus de RNA tenen una taxa d’error major en la replicació cosa que els fa més poc competitius. Però això es pot compensar tenint el genoma segmentat, ja que disminueix la probabilitat d’error de cada molècula. En aquest cas es produeix la redistribució dels gens, el qual permet que diferents variants d’un  virus original que infecten a una mateixa cèl·lula puguin recombinar els seus segments i així donar lloc a un virus completament nou. Tot això farà que la taxa de mutació augmenti i que les generacions de progènies víriques presentin canvis respecte al progenitor original.

Figura3  : Reordenament de genoma viral en virus segmentats.

❖    Mecanismes que permeten mantenir la integritat del genoma i evitar l'acumulació de mutacions.

Hi ha virus d’RNA que tenen un gen que muta molt lentament, el qual té una estructura tridimensional complexa que subministra una funció química necessària per a la propagació del virus.

^[x] Aquest gen, situat a l’extrem 3’, s’anomena s2m, i la seva importància patògena és que confereix una rigorosa conservació del genoma víric.

Aquesta gran conservació s’explica clarament per la formació d’un RNA altament estructurat, amb una estructura terciària amb un únic gir de 90º en l’eix abscisses i moltes interaccions terciàries de llarg abast.

Aquestes interaccions formen un “túnel” l’interior del qual està carregat negativament i uneix dos ions de magnesi.

Això provoca que es formin interaccions superficials amb cèl·lules hostes o altres llocs reactius necessaris per a la funció del virus.

Figura4. Representacions estèreo de l'estructura de l'ARN de la SARS s2m

L'estructura tridimensional global de la SARS s2m ARN i (B) vista detallada dels contactes terciaris.

❖    Conclusions.

Els virus de RNA és consideren quasi-especies pel fet de no tenir un genoma definit degut a la quantitat de mutacions que pateixen i el permeten evolucionar. Per això aquests virus són els més infecciosos i els que ens porten més problemes a l’hora de combatre’ls.

Per tant provoquen molta despesa en la sanitat a l’hora de produir vacunes.

❖    Bibliografia.

[1] galileog.com [pàgina a Internet]. Eduardo Ghershman; 18.10.13. [Citada 20 abril 2016.] Disponible a:http://www.galileog.com/ciencia/biologia/virus/cuasiespecies/virus_18_10_13.htm#cuasi_especies_virus

[2]consumidores.Enfermedades http://consumidores.msd.com.mx/enfermedades/sida/replicacion-del-virus-pasos-1-6.xhtml

[3] biologiacelular.galeon.BALTIMORE. http://biologiacelular.galeon.com/BALTIMORE.htm

Viral mutation rates.Publicat online 21-7-2010, doi:10.1128/JVI.00694-10J. Virol.Octubre 2010 vol. 84no. 19 9733-9748. Consultat el 20-4-2016.

http://jvi.asm.org/content/84/19/9733.full

Jorge Alberto Vilches Sanchez. (2013) Los virus. Recuperat de: http://www.monografias.com/trabajos91/estudio-virus/estudio-virus.shtml

^[x]Robertson MP, Igel H, Baertsch R, Haussler D, Ares M Jr, Scott WG. «The structure of a rigorously conserved RNA element within the SARS virus genome». PLoS Biol, pàg. e5, 28-12-2004, consultat el: 20-4-2016, http://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.0030005

Figura1. Extret el 20-4-2016 de:

http://www.cell.com/trends/genetics/fulltext/S0168-9525(10)00103-4

Figura2. Extret el20-4-2016 de:

http://www.iayork.com/MysteryRays/2010/11/04/mutation-rates-in-man-and-virus/