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¿Riesgos de virus latentes que residen en genomas antiguos bajo investigación?

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Algunas investigaciones interesantes sobre la reactivación del material genético de mamuts (https://www.nature.com/articles/s41598-019-40546-1) me hicieron preguntarme qué riesgos son inherentes (o no son inherentes) al revivir genomas más antiguos que pueden haberse integrado código viral latente?

¿Hay riesgos biológicos potenciales en esta línea de investigación, donde virus inactivos que de otro modo se habrían extinguido (junto con el huésped extinto) y que ahora pueden tener el potencial de reactivarse? No solo en términos de zoonosis que infectan a todas las especies, sino también de virus que infectan a los animales modernos que están más estrechamente relacionados o tienen una ascendencia relativamente común (por ejemplo, de mamut a elefante).

¿Podría recuperarse una enfermedad a través de este tipo de investigación? ¿O no es posible recrear en un laboratorio las condiciones para despertar virus latentes a partir de material de partida de este tipo?

Editar: Para aclarar lo que quiero decir con riesgo biológico potencial en relación con esta pregunta: Las condiciones experimentales dan como resultado que un virus latente entre en fase lítica. El virus es un patógeno transmisible; se propaga fuera del entorno del laboratorio; causa enfermedad o muerte a los organismos vivos en la medida en que crea una crisis de salud pública, ecológica o de otra índole. Para obtener antecedentes, consulte también: Cambridge, The Free Dictionary y Wikipedia.


Primero, no entiendo por qué le preocupan más los virus de especies extintas que los virus antiguos de especies que no se han extinguido. Claramente, el potencial infeccioso de este último es mayor para la especie actual. No he escuchado ni pío en la literatura publicada sobre los peligros de resucitar virus de mamut, pero seguramente la recreación (en 2005) de la influenza de 1918 provocó algunos debates de seguridad bastante sustanciales.

En general, trabajar con ADN antiguo (ADNa) requiere algunas precauciones de seguridad, pero principalmente debido al riesgo de contaminar el ADNa (con ADN moderno) -.

Además, no tengo conocimiento de ninguna investigación que haya resucitado un virus antiguo de una especie extinta aDNA (su escenario específico), pero uno ~ 5 millones de años. el retrovirus (apodado Phoenix) se ensambló a partir del ADN humano actual (en 2006); los autores estaban un poco preocupados por su potencial infeccioso, por lo que lo diseñaron para que no pudiera replicarse más de una vez.

Más comúnmente, el genoma de cepas de virus menos antiguas se reensambla de manera bastante rutinaria, p. Ej. de momias, esqueletos o incluso basureros de packrat para estudiar la evolución de enfermedades virales comunes. La mayor parte de esto ocurre sin controversias de seguridad, por lo que yo sé. Con menos frecuencia, los virus antiguos de varias especies se encuentran bastante intactos en el permafrost, lo que también suscita algunas discusiones sobre seguridad (con respecto al manejo del permafrost).

Entonces, ¿es posible tu escenario en teoría? Si. ¿Están preocupados los expertos? No es que haya escuchado ...


¿Hay riesgos biológicos potenciales en esta línea de investigación, donde virus inactivos que de otro modo se habrían extinguido (junto con el huésped extinto) y que ahora pueden tener el potencial de reactivarse?

Siempre hay posibles peligros biológicos. Si profundiza en lo desconocido, no puede saber de antemano lo que puede encontrar. Dijo que me gustaría llamar la atención sobre el hecho de que no conocemos todos los virus que ya existen, ni los que evolucionan todos los días.

De todos modos, entra en contacto con nuevos virus durante su vida diaria. ¿Cuánto más peligro vendrían de los virus antiguos? Yo diría que no mucho, pero no puedo señalar ningún experimento de apoyo específico, así que es solo mi opinión.

¿Podría recuperarse una enfermedad a través de este tipo de investigación?

Difícilmente. Muchos parámetros (una descripción general aquí) deben ser los correctos para que un virus se propague y cause una enfermedad. Los virus suelen estar muy en sintonía con el metabolismo celular y los factores ambientales. Los parámetros actuales son probablemente muy diferentes de los originales, por lo que, incluso si un virus antiguo puede "revivir", su capacidad de infectar y propagarse definitivamente se vería obstaculizada.

¿O no es posible recrear en un laboratorio las condiciones para despertar virus latentes a partir de material de partida de este tipo?

No existen condiciones estándar para despertar un virus inactivo, o en general para producir virus. Cada virus es diferente y requerirá condiciones específicas (aquí algunos ejemplos sobre Lentivirus y Adenovirus). En teoría, si todas las proteínas virales requeridas pueden expresarse en una célula hospedadora compatible, entonces se pueden producir partículas virales viables (virus Negev, virus Rhopalosiphum padi, virus de células reina negras). Definitivamente es posible "revivir" un virus antiguo con suficiente esfuerzo, pero nuevamente, la tasa de éxito será diferente de un virus a otro.


El virus del autostop confirma la saga de la antigua migración humana

Un estudio del código genético completo de un virus humano común ofrece una confirmación dramática del patrón de migración humana "fuera de África", que había sido previamente documentado por antropólogos y estudios del genoma humano.

El virus en estudio, el virus del herpes simple tipo 1 (HSV-1), generalmente no causa nada más grave que el herpes labial alrededor de la boca, dice Curtis Brandt, profesor de microbiología médica y oftalmología en UW-Madison. Brandt es el autor principal del estudio, ahora en línea en la revista. MÁS UNO.

Cuando Brandt y los coautores Aaron Kolb y C & eacutecile An & eacute compararon 31 cepas de HSV-1 recolectadas en América del Norte, Europa, África y Asia, "el resultado fue bastante sorprendente", dice Brandt.

"Las cepas virales se clasifican exactamente como se podría predecir en función de la secuenciación de los genomas humanos. Descubrimos que todos los aislamientos africanos se agrupan, todos los virus del Lejano Oriente, Corea, Japón, China se agrupan, todos los virus de Europa y Estados Unidos, con una excepción, se agruparon ", dice.

"Lo que encontramos sigue exactamente lo que los antropólogos nos han dicho, y los genetistas moleculares que han analizado el genoma humano nos han dicho, acerca de dónde se originaron los humanos y cómo se diseminaron por el planeta", dijo Curtis Brandt.

Los genetistas exploran cómo se relacionan los organismos mediante el estudio de cambios en la secuencia de bases o "letras" en sus genes. A partir del conocimiento de la rapidez con la que cambia un genoma en particular, pueden construir un "árbol genealógico" que muestre cuándo determinadas variantes tuvieron su último ancestro común.

Los estudios de genomas humanos han demostrado que nuestros antepasados ​​emergieron de África hace aproximadamente 150.000 a 200.000 años y luego se extendieron hacia el este hacia Asia y hacia el oeste hacia Europa.

Los científicos han estudiado previamente el virus del herpes simple tipo 1 al observar un solo gen, o un pequeño grupo de genes, pero Brandt señala que este enfoque puede ser engañoso. "Los científicos se han dado cuenta de que las relaciones que se obtienen de un solo gen, o de un pequeño conjunto de genes, no son muy precisas".

El estudio PLOS ONE utilizó secuenciación genética de alta capacidad y bioinformática avanzada para analizar la enorme cantidad de datos de los 31 genomas.

"Nuestros resultados apoyan claramente los datos antropológicos y otros datos genéticos que explican cómo los humanos llegaron de África al Medio Oriente y comenzaron a extenderse desde allí".

La tecnología de comparar simultáneamente los genomas completos de virus relacionados también podría ser útil para explorar por qué ciertas cepas de un virus son mucho más letales que otras. En un pequeño porcentaje de casos, por ejemplo, el VHS-1 puede causar una infección cerebral mortal, señala Brandt.

"Nos gustaría entender por qué estos pocos virus son tan peligrosos, cuando el curso predominante del herpes es tan leve. Creemos que una diferencia en la secuencia genética está determinando el resultado, y estamos interesados ​​en resolver esto", dijo. dice.

Para los estudios del virus de la influenza en particular, dice Brandt, "la gente está tratando de encontrar marcadores de virulencia que nos permitan predecir lo que hará una cepa particular del virus".

Los investigadores dividieron el genoma del HSV-1 en 26 piezas, crearon árboles genealógicos para cada pieza y luego combinaron cada uno de los árboles en un árbol de red de todo el genoma, dice Brandt. "C & eacutecile An & eacute hizo un gran trabajo al idear una nueva forma de ver estos árboles e identificar la agrupación más probable". Fue este grupo el que coincidió con los análisis existentes sobre la migración humana.

El nuevo análisis podría incluso detectar algunas complejidades de la migración. Todas las muestras de HSV-1 de los Estados Unidos, excepto una, coincidían con las cepas europeas, pero una cepa que se aisló en Texas parecía asiática. "¿Cómo conseguimos un virus relacionado con los asiáticos en Texas?" Pregunta Kolb. O la muestra provenía de alguien que había viajado desde el Lejano Oriente, o provenía de un nativo americano cuyos antepasados ​​habían cruzado el "puente terrestre" a través del Estrecho de Bering hace aproximadamente 15.000 años.

"Encontramos apoyo para la hipótesis del puente terrestre porque la fecha de divergencia de su antepasado asiático más reciente fue hace unos 15.000 años. Brandt dice." Las fechas coinciden, por lo que postulamos que se trataba de un virus amerindio ".

El virus del herpes simple tipo 1 fue un virus ideal para el estudio porque es fácil de recolectar, generalmente no es letal y puede formar infecciones latentes de por vida. Debido a que el VHS-1 se transmite por contacto cercano, besos o saliva, tiende a ser hereditario. "Puedes pensar en esto como una especie de genoma externo", dice Brandt.

Además, el HSV-1 es mucho más simple que el genoma humano, lo que reduce el costo de secuenciación, pero su genoma es mucho más grande que otro virus que también se ha utilizado para este tipo de estudio. La genética a menudo se reduce a un juego de números, un número mayor produce evidencia más fuerte, por lo que un genoma más grande produce muchos más detalles.

Pero lo que realmente saltó del estudio, dice Brandt, "fue un claro apoyo a la hipótesis fuera de África. Nuestros resultados apoyan claramente los datos antropológicos y otros datos genéticos que explican cómo los humanos llegaron de África al Medio Oriente y comenzó a extenderse desde allí ".

La correspondencia con la antropología se extiende incluso, como antes, a los detalles. En el virus, como en los genomas humanos, una pequeña población humana ingresó al Medio Oriente desde África. "Hay un cuello de botella demográfico entre África y el resto del mundo, muy pocas personas participaron en la migración inicial de África", dice Brandt. "Cuando miras el árbol filogenético del virus, es exactamente lo mismo que nos han dicho los antropólogos".


Fondo

Tuberculosis, causada por organismos en el Tuberculosis micobacteriana complejo (MTBC), ha adquirido una relevancia y una urgencia renovadas en el siglo XXI debido a su distribución global, su alta morbilidad y el aumento de cepas resistentes a los antibióticos [1]. La dificultad en el manejo y tratamiento de la enfermedad, combinada con el reservorio masivo que el patógeno mantiene en las poblaciones humanas a través de la infección latente [2], hace que la tuberculosis sea un desafío urgente para la salud pública. A pesar de esto, existe controversia con respecto a la historia de la relación entre los miembros del MTBC y sus anfitriones humanos.

La literatura existente sugiere dos estimaciones para el tiempo del ancestro común más reciente (tMRCA) para el MTBC basadas en la aplicación de la datación molecular bayesiana a todo el genoma Tuberculosis micobacteriana datos. Una estimación sugiere que el MTBC existente surgió a través de un cuello de botella hace aproximadamente 70.000 años, coincidiendo con las principales migraciones de humanos fuera de África [3]. Esta estimación se alcanzó utilizando un gran conjunto de datos globales de exclusivamente modernos METRO. tuberculosis genomas, con nodos internos del MTBC calibrados por fechas extrapoladas para las principales migraciones humanas [3]. Esta estimación se basó en la congruencia entre la topología del MTBC y las filogenias mitocondriales humanas, pero esta congruencia no se extiende a la estructura filogeográfica del cromosoma Y humano [4]. Como enfoque alternativo, la primera publicación de genomas antiguos de MTBC utilizó fechas de radiocarbono como puntos de calibración directos para inferir tasas de mutación y arrojó una fecha de MRCA para el complejo de menos de 6000 años [5]. Esta emergencia más joven fue apoyada más tarde por las tasas de mutación estimadas dentro del omnipresente Lineage 4 (L4) del MTBC, utilizando cuatro METRO. tuberculosis genomas de finales del siglo XVIII y principios del XIX [6].

A pesar del acuerdo en los estudios que se han basado en la calibración de ADN antiguo hasta ahora, la datación de la aparición de MTBC sigue siendo controvertida. La corta edad sugerida por estos trabajos no puede explicar la supuesta detección de ADN MTBC en material arqueológico anterior a la estimación de tMRCA (por ejemplo, Baker et al. [7] Hershkovitz et al. [8] Masson et al. [9] Rothschild et al. . [10]), cuya autenticidad ha sido cuestionada [11]. Además, la constancia en las tasas de mutación del MTBC ha sido cuestionada debido a la variación de la tasa observada en los linajes modernos, combinada con los efectos no cuantificados de la latencia [12]. Los genomas antiguos presentados por Bos y sus colegas, aunque aislados de restos humanos, estaban más estrechamente relacionados con Mycobacterium pinnipedii, un linaje del MTBC actualmente asociado con infecciones en focas y leones marinos [5]. Dada nuestra falta de familiaridad con la historia demográfica de la tuberculosis en las poblaciones de mamíferos marinos [13], no se pueden suponer tasas de sustitución idénticas entre el linaje pinnípedo y los linajes adaptados a los humanos del MTBC. Además, las estimaciones de la diversidad genética en cepas de MTBC de especímenes arqueológicos pueden ser difíciles dadas sus similitudes con el ADN micobacteriano ambiental del contexto deposicional, que aumentan el riesgo de caracterización genética falsa positiva [14]. Aunque los genomas antiguos publicados por Kay y sus colegas pertenecían a linajes adaptados a humanos del MTBC, y las señales ambientales confusas se redujeron significativamente por su contexto funerario en las criptas, dos de los cuatro genomas utilizados para la datación molecular se derivaron de infecciones de cepas mixtas. [6]. Por necesidad, la diversidad derivada de cada genoma tendría que ser ignorada para poder distinguirlos computacionalmente [6]. Aunque el ADN antiguo es una herramienta valiosa para responder a la pregunta de cuándo surgió el MTBC, los datos antiguos disponibles siguen siendo escasos y están sujetos a desafíos caso por caso.

Aquí, ofrecemos una estimación temporal de mayor resolución para la aparición de MTBC y L4 utilizando múltiples modelos bayesianos de complejidad variable a través del análisis de una alta cobertura del siglo XVII. METRO. tuberculosis genoma extraído de un nódulo pulmonar calcificado. Extraído de restos momificados de forma natural, el nódulo proporcionó un entorno de conservación excelente para el patógeno y exhibió una infiltración mínima de bacterias exógenas. El nódulo y el tejido pulmonar circundante también mostraron una preservación excepcional del ADN del huésped, lo que resulta prometedor para este tipo de tejido en investigaciones de ADN antiguas.


Resucitando un antiguo brote de coronavirus

El Dr. Soulimi y sus colegas plantearon la hipótesis de que los humanos podrían haber tenido encuentros antiguos con coronavirus que podrían aparecer en nuestro genoma.

Así que encuestaron los genomas de miles de personas de todo el mundo almacenados en la base de datos del Proyecto 1000 Genomas.

Getty Images: Kyodo News / Colaborador

Y encontraron una señal genética relacionada con el coronavirus en personas de Vietnam, China y Japón, pero no en personas de otras partes del mundo.

"Después de observar esta firma de adaptación, usamos diferentes herramientas para decirnos qué tan atrás podría haber ocurrido esa adaptación", dijo el Dr. Soulimi.

"La adaptación parece haber comenzado hace unos 25.000 años".

Esta no solo es la evidencia más temprana de exposición humana a los coronavirus, sino que también muestra cuánto tiempo pueden quedarse.

Los investigadores encontraron que el virus parece haber dejado de ejercer presión evolutiva sobre los genomas hace 5.000 años, lo que significa que la epidemia duró alrededor de 20.000 años.

& quot; Realmente no podemos & # x27t decir si esto fue algo periódico que ocurrió cada invierno como la gripe, o virus ligeramente diferentes que saltaron de animales a humanos cada cinco a 10 años como lo que sucedió en los últimos 20 años con SARS, MERS y SARS. -CoV-2 '', dijo el Dr. Souilmi.

Puede haber sido un solo virus o una serie de virus que utilizan la misma maquinaria molecular, una idea respaldada por otra investigación que muestra que la familia viral a la que pertenece el SARS-CoV-2 surgió hace unos 23.000 años, dijo.

Pero de cualquier manera, lo que queda claro de la investigación es que los humanos estuvieron expuestos a los coronavirus durante un período de aproximadamente 20,000 años en un momento de nuestra historia.

"La adaptación de varios genes aproximadamente al mismo tiempo y al mismo ritmo sólo puede explicarse por la exposición a los coronavirus en el tiempo", dijo el Dr. Souilmi.

Los investigadores también encontraron evidencia de que el virus involucrado en el antiguo brote invadió las células de manera similar al SARS-CoV-2.


Afiliaciones

Laboratorio Bigelow de Ciencias Oceánicas, East Boothbay, ME, EE. UU.

Joaquín Martínez Martínez

Departamento de Fisiología, Genética y Microbiología, Universidad de Alicante, Alicante, España

Francisco Martinez-Hernandez & amp Manuel Martinez-Garcia

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Contribuciones

Todos los autores buscaron datos para el artículo, contribuyeron a la discusión del contenido y revisaron y editaron el manuscrito antes de su envío. M.M.-G. y J.M.M. escribió el artículo.

Autor correspondiente


Abstracto

Recientemente se demostró que el principal factor de riesgo genético asociado con enfermarse gravemente con COVID-19 cuando se infecta por el síndrome respiratorio agudo severo coronavirus 2 (SARS-CoV-2) se hereda de los neandertales. Los estudios de asociación genética nuevos y más amplios ahora permiten descubrir factores de riesgo genéticos adicionales. Utilizando datos del consorcio Genetics of Mortality in Critical Care (GenOMICC), mostramos que un haplotipo en una región del cromosoma 12 asociado con la necesidad de cuidados intensivos cuando se infecta con el virus se hereda de los neandertales. Esta región codifica proteínas que activan enzimas que son importantes durante las infecciones por virus de ARN. En contraste con el haplotipo de neandertal descrito anteriormente que aumenta el riesgo de COVID-19 grave, este haplotipo de neandertal protege contra la enfermedad grave. También se diferencia del haplotipo de riesgo en que tiene un efecto más moderado y ocurre con frecuencias sustanciales en todas las regiones del mundo fuera de África. Entre los genomas humanos antiguos en Eurasia occidental, la frecuencia del haplotipo protector de Neandertal puede haber aumentado entre 20.000 y 10.000 años atrás y nuevamente durante los últimos 1.000 años.

Los neandertales evolucionaron en Eurasia occidental hace aproximadamente medio millón de años y posteriormente vivieron en gran parte separados de los antepasados ​​de los humanos modernos en África (1), aunque es probable que haya ocurrido un flujo genético limitado desde África (2 ⇓ ⇓ –5). Tanto los neandertales como los denisovanos, su grupo hermano asiático, se extinguieron hace unos 40.000 años (6). Sin embargo, continúan teniendo un impacto biológico en la fisiología humana hoy a través de contribuciones genéticas a las poblaciones humanas modernas que ocurrieron durante las últimas decenas de miles de años de su existencia (por ejemplo, refs. 7 ⇓ ⇓ –10).

Algunas de estas contribuciones pueden reflejar adaptaciones a entornos fuera de África, donde los neandertales vivieron durante varios cientos de miles de años (11). Durante este tiempo, es probable que se hayan adaptado a las enfermedades infecciosas, que se sabe que son fuertes factores selectivos que pueden haber diferido, al menos en parte, entre el África subsahariana y Eurasia (12). De hecho, se ha demostrado que varias variantes genéticas aportadas por los homínidos arcaicos a los seres humanos modernos afectan a los genes implicados en la inmunidad (p. Ej., Refs. 7, 8, 13, 14). En particular, las variantes en varios loci que contienen genes involucrados en la inmunidad innata provienen de los neandertales y los denisovanos (15), por ejemplo, variantes de genes del receptor tipo toll que disminuyen la susceptibilidad a Helicobacter pylori infecciones y riesgo de alergias (16). Además, se ha demostrado que las proteínas que interactúan con los virus de ARN están codificadas por regiones de ADN introgresadas de los neandertales con más frecuencia de lo esperado (17), y los virus de ARN podrían haber impulsado muchos eventos adaptativos en humanos (18).

Recientemente, se demostró que un haplotipo en una región del cromosoma 3 está asociado con enfermarse críticamente tras la infección con el nuevo coronavirus respiratorio agudo severo 2 (SARS-CoV-2) (19) y fue aportado a los humanos modernos por los neandertales (20). ). Cada copia de este haplotipo duplica aproximadamente el riesgo de que sus portadores requieran cuidados intensivos cuando están infectados por el SARS-CoV-2. Alcanza frecuencias portadoras de hasta ~ 65% en el sur de Asia y ~ 16% en Europa, mientras que está casi ausente en el este de Asia. Por lo tanto, aunque este haplotipo es perjudicial para sus portadores durante la pandemia actual, puede haber sido beneficioso en épocas anteriores en el sur de Asia (21), quizás al conferir protección contra otros patógenos, mientras que en el este de Asia puede haber sido eliminado por selección negativa. .

Un nuevo estudio del consorcio Genetic of Mortality in Critical Care (GenOMICC), que incluye a 2244 pacientes y controles COVID-19 en estado crítico (22), estuvo disponible recientemente. Además del locus de riesgo en el cromosoma 3, identifica siete loci con efectos significativos en todo el genoma ubicados en los cromosomas 6, 12, 19 y 21. Aquí, mostramos que, en uno de estos loci, un haplotipo asociado con riesgo reducido de enfermarse gravemente tras la infección por SARS-CoV-2 se deriva de los neandertales.


Glosario

Una visión histórica de la evolución viral podría sugerir que los procesos evolutivos de los virus de ARN y ADN se adhieren a reglas distintas y no superpuestas. La evolución del virus de ARN, como se cubre en otra parte de este volumen, implica polimerasas propensas a errores, una incapacidad para realizar la corrección de errores (excepto en casos raros como los coronavirus), la existencia de cuasiespecies virales y una interacción constante de mutación y aptitud. selección basada. Por el contrario, la evolución del virus del ADN a menudo se discute en términos históricos más amplios, con un enfoque en cómo la evolución ha llevado a la especiación a través de la lenta acumulación de deriva genética y la fijación relativamente rara de cambios genéticos basados ​​en la recombinación. Sin embargo, en realidad hay mucho en común entre los mecanismos de evolución de los virus de ARN y ADN. Por ejemplo, si bien las polimerasas utilizadas por los virus de ADN son menos propensas a errores y pueden realizar la corrección de errores, el tamaño más grande de muchos genomas de virus de ADN todavía deja espacio para la acumulación de variación genética en cada ronda de replicación viral. Además, la evidencia de múltiples virus de ADN sugiere que, en lugar de ser poco común, la recombinación entre genomas de virus de ADN es desenfrenada. La progenie de estos intercambios genéticos pasa desapercibida cuando se produce una recombinación entre genomas idénticos o muy similares, o si la progenie no sobrevive a la selección basada en la aptitud. La evolución ligada al hospedador o la co-divergencia también pueden contribuir a las tasas de mutación aparentemente bajas en los virus de ADN. Comprender los factores que determinan la velocidad a la que los genomas virales generan y reparan mutaciones proporciona conocimientos esenciales sobre sus mecanismos evolutivos. Cubrimos estos temas con mayor detalle a continuación, después de introducir una serie de consideraciones adicionales a la discusión de cómo evolucionan los virus de ADN (consulte la Fig. 1 para un resumen).

La evolución del virus del ADN se basa en mecanismos moleculares (arriba, sombreado en gris) que se ven afectados por la biología del huésped (que se muestran a continuación). Los virus de ADN existen en una variedad de formatos de genoma (centro) y tamaños, cada uno de los cuales tiene una propensión diferente a evolucionar a través de estos mecanismos. Los formatos del genoma viral incluyen ADN circular y lineal que es monocatenario o bicatenario, con longitudes que van desde

2 a & # x0003e2000 kbp. Los mecanismos moleculares que subyacen a la evolución del virus de ADN incluyen cambios de un solo nucleótido, recombinación y transferencia horizontal de genes, fluctuaciones en la longitud de la repetición en tándem y ganancia o pérdida de secuencia a través de inserciones, deleciones y duplicaciones de segmentos. Los impactos del hospedador en la evolución del virus del ADN (enumerados en el sentido de las agujas del reloj) incluyen la arquitectura de la célula hospedadora (por ejemplo, células hospedadoras nucleadas frente a no nucleadas), el marco de tiempo que se está considerando (por ejemplo, una ronda de infección o muchas generaciones), la complejidad del hospedador (una sola células versus organismos complejos), una duración persistente aguda versus a largo plazo de la infección del huésped, presiones selectivas y cuellos de botella que actúan sobre cada población de virus y co-divergencia con las especies del huésped durante milenios. Imagen creada con BioRender.com y Adobe Illustrator.

Diversidad de tipos de genomas de virus de ADN

Una división simplista de los mecanismos evolutivos de los virus generalmente se divide en función de si el genoma que se considera es ARN o ADN. Si bien un virus de ARN monocatenario y un virus de ADN bicatenario podrían considerarse ejemplos típicos de cada grupo, estos no son de ninguna manera los únicos tipos de genoma & # x02013 existen numerosas variaciones sobre estos temas. Los virus prototípicos de ADN bicatenario (dsDNA) existen tanto en formas lineales como circulares. Estos virus dsDNA abarcan toda la gama en términos de tamaño, desde pequeños (

5 & ​​# x020138 kilopares de bases, kbp) papilomavirus y poliomavirus, hasta grandes genomas de bacteriófagos, adenovirus y herpesvirus (que van desde

30 & # x02013250 kbp), a los virus nucleocitoplasmáticos de ADN grande (NCLDV) de gran tamaño, como poxvirus y ficodnavirus (

130 & # x02013400 kbp), y finalmente los virus gigantes que se encuentran en algas y amebas (más de

1 & # x020132 pares de megabase, Mbp). También existen formatos de genoma inusuales entre estos virus dsDNA, por ejemplo, los extremos cerrados covalentemente de los genomas de poxvirus lineales, o el genoma de dsDNA circular parcialmente abierto de los hepadnavirus (por ejemplo, el virus de la hepatitis B). Además, existen abundantes ejemplos de virus de ADN monocatenario (ssDNA), que incluyen formas tanto lineales (por ejemplo, parvovirus y densovirus) como circulares más numerosas (por ejemplo, circovirus, nanovirus y geminivirus, que también se conocen como codificación circular Rep. Virus de ADN monocatenario o CRESS). En cada caso, estos formatos de genoma conducen a limitaciones y oportunidades particulares para los mecanismos evolutivos discutidos aquí. A continuación, describimos los mecanismos evolutivos a la luz de los ejemplos de virus dsDNA más comunes y, cuando es posible, señalamos aquellas áreas en las que otros formatos de genoma de virus de ADN pueden diferir.

La biología de la célula huésped y la disponibilidad de las enzimas del huésped restringen la evolución del virus

Es posible & # x02013 aunque no recomendable & # x02013 discutir los mecanismos de la evolución del virus del ADN sin considerar la biología de la célula huésped. Esta simplificación es posible por el hecho de que todos los huéspedes conocidos de estos virus son formas de vida basadas en ADN, con la presencia concomitante de la maquinaria necesaria de una ADN polimerasa para la replicación, ARN polimerasa para la transcripción y ribosomas para la traducción. Las distinciones más evidentes entre los huéspedes potenciales de los virus de ADN se encuentran en las bifurcaciones conocidas del árbol de la vida, a saber, bacterias, arqueas y los principales grupos de eucariotas (es decir, plantas, animales, hongos y protistas). En hospedadores bacterianos y arqueales, la ausencia de un núcleo elimina cualquier distinción en el lugar donde ocurre la replicación del virus del ADN. Sin embargo, en eucariotas, muchas enzimas del hospedador están restringidas al núcleo, incluidas las polimerasas de ADN y ARN del hospedador, así como la maquinaria de empalme del ARN, mientras que la traducción se limita al citoplasma. Virus que utilizan la ADN polimerasa del hospedador para copiar sus genomas, como los miembros del Polyomaviridae y Papillomaviridae, por lo tanto, debe replicarse en el núcleo. Asimismo, mientras que el Herpesviridae y Adenoviridae codifican su propia ADN polimerasa, utilizan la ARN polimerasa del hospedador y funciones de empalme, lo que restringe su replicación al núcleo. Por el contrario, los miembros de la Poxviridae y Mimiviridae que se replican en el citoplasma codifican sus propias polimerasas de ADN y ARN, cuya fidelidad puede, por tanto, evolucionar en una trayectoria distinta a la del huésped. Por último, mientras que los virus ssDNA utilizan ADN polimerasas del huésped, su tasa de mutación observada supera con creces la detectada en los genomas de la célula huésped o en los virus dsDNA, lo que sugiere que pueden estar en juego otras fuentes de mutación, como el daño oxidativo y / o la falta de reparación del ADN. . Por estas razones, el conocimiento de la biología de la célula huésped y el uso de las enzimas del huésped por una determinada especie de virus es un requisito para comprender las limitaciones de la evolución viral.

Marcos de tiempo: adaptación viral dentro de un anfitrión frente a evolución a lo largo de varias generaciones

Cualquier discusión sobre los mecanismos de la evolución del virus debe comenzar por definir la escala de tiempo que se está considerando. En el extremo más corto de este espectro se encuentra el período de tiempo de una sola ronda de infección viral. Como se indica a continuación, la primera célula infectada puede ser cualquier cosa, desde un organismo unicelular hasta el primer punto de entrada celular en un huésped humano complejo. Desde una perspectiva clínica, las infecciones y enfermedades virales a menudo se consideran en el marco de tiempo de un solo individuo & # x02019s infección & # x02013 a menudo un sujeto humano o animal. Como se describe a continuación, la población de virus dentro de un huésped dado puede sufrir una adaptación dentro del marco de tiempo relativamente corto de la infección del huésped. Los mecanismos que permiten la diversificación o especiación de un virus determinado generalmente requieren miles de ciclos de replicación viral, que abarcan múltiples generaciones de hospedadores. En la escala más grande, los orígenes de los virus y sus linajes específicos abarcan la historia de la vida en la tierra. Los orígenes de los virus tal como los conocemos se tratan en otra parte de este volumen, por lo que aquí nos centramos únicamente en los mecanismos que forman la base de toda adaptación y evolución viral. Como tal, nos enfocamos principalmente en la escala de tiempo de una célula individual y / o infección del huésped, que puede incluir las contribuciones de poblaciones de virus que son más diversas y / o menos aptas que las que vemos preservadas durante períodos más largos de tiempo evolutivo.

Los hospedantes de virus de ADN varían desde células individuales hasta organismos multicelulares complejos

La comprensión de la adaptación y evolución del virus del ADN requiere considerar al huésped como un organismo unicelular frente a un organismo multicelular complejo. Un modelo teórico básico de replicación viral incluiría la replicación viral productiva en una sola célula, seguida de la propagación a células cercanas no infectadas, potencialmente durante múltiples generaciones. Este modelo bien puede aplicarse a células bacterianas y arqueales, y a especies eucariotas unicelulares como las algas marinas o las amebas. Sin embargo, en la mayoría de los casos, los organismos eucariotas más complejos, desde las plantas hasta los animales y los seres humanos, requieren una serie complicada de pasos para que el virus se propague y se propague con éxito. Estos pasos incluyen la entrada a través de un portal accesible del organismo, la diseminación dentro del organismo para llegar a las células susceptibles, la evasión de las respuestas defensivas del huésped (incluida la inmunidad innata y adaptativa) y la salida para permitir una posible propagación a nuevos huéspedes. Existe una amplia evidencia de que la evolución actúa dentro de un solo anfitrión, aunque en aras de la claridad nos referiremos a estos eventos dentro del anfitrión como & # x0201cadaptation & # x0201d en lugar de evolución. El uso de estos términos nos permite resaltar la distinción de que la adaptación local dentro de un anfitrión se debe a presiones selectivas que difieren de las que afectan la transmisión a nuevos anfitriones, o que actúan a través de múltiples generaciones de anfitriones. Además, la población de virus dentro de un organismo complejo puede dividirse en distintos nichos ambientales dentro del huésped. Por ejemplo, la diversidad genómica del citomegalovirus humano (HCMV) en muestras de pacientes a menudo se analiza a partir de muestras de sangre y, sin embargo, esta población viral no representa directamente una fuente común de transmisión natural del virus entre huéspedes (p. Ej., Saliva). Los estudios de la evolución del virus deben considerar cuidadosamente el material de origen utilizado en los exámenes de la diversidad viral y cómo esta elección puede influir en las observaciones resultantes de la aptitud evolutiva.

Contribuciones de la persistencia del virus del ADN y las infecciones crónicas

Nos referimos anteriormente a un modelo teórico de replicación del virus del ADN que implicaba la replicación productiva en una sola célula y la diseminación a células cercanas no infectadas, a través de múltiples generaciones virales. Una suposición subyacente en tal modelo es que ocurren secuencialmente múltiples rondas de infección productiva. Sin embargo, el ciclo de vida de muchos, si no la mayoría de los virus de ADN, exhibe otras fases de existencia, a saber, a través de la persistencia y las infecciones crónicas. Para muchos virus bacteriófagos y arqueales, una estrategia común es el conocido ciclo de lisis versus lisogenia. Para estos virus, la estrategia productiva y a menudo destructiva de la replicación lítica se intercala con fases de lisogenia, cuando el genoma viral se integra en el genoma del huésped y se propaga como parte del genoma del huésped durante la división celular. Existe una estrategia similar para la gran familia de herpesvirus que infecta a la mayoría de las especies animales y humanos, y la fase no lítica a largo plazo se denomina latencia en lugar de lisogenia. Una distinción importante es que, con algunas excepciones notables, la integración en el genoma del huésped no es una parte normal de la latencia del herpesvirus. En cambio, estos virus del herpes permanecen episomales en el núcleo del huésped durante la latencia de por vida. A nivel molecular, la latencia se puede definir por la ausencia de una replicación viral significativa y una expresión génica viral limitada. Los episomas del virus del herpes pueden experimentar una reactivación esporádica para producir una nueva progenie viral, seguida de ciclos adicionales de latencia y reactivación. Al igual que los herpesvirus, ciertos miembros de la Adenoviridae puede progresar de una infección lítica de las células epiteliales a una infección latente en los linfocitos T de las amígdalas y otros tejidos adenoides. La capacidad de establecer una infección a largo plazo es, por tanto, una parte vital del ciclo de vida viral de muchos virus de ADN, lo que contrasta con el período infeccioso agudo de muchos virus de ARN (por ejemplo, virus de la influenza o rotavirus). La persistencia y las infecciones crónicas motivan la necesidad de explorar las contribuciones de la variación y adaptación dentro del hospedador a los mecanismos evolutivos de los virus de ADN.

Además de la latencia y la lisogenia, la persistencia del virus o la infección crónica incluye toda una clase de infecciones por virus de ADN en las que la replicación viral se detecta fácilmente en el huésped, pero la infección no se elimina durante un período de tiempo significativo. Muchos virus de ADN más pequeños, como papilomavirus, poliomavirus y ciertos miembros del Circoviridae utilice este enfoque & # x0201clow-and-slow & # x0201d. Estos virus se replican en células que se dividen activamente, pero han evolucionado para evitar ser detectados por el sistema inmunológico del huésped. Curiosamente, muchos de estos virus parecen ser patógenos solo si el virus persiste durante un tiempo extraordinariamente largo. Por ejemplo, en la mayoría de los casos, el sistema inmunológico del huésped finalmente eliminará las infecciones por virus del papiloma humano. Este proceso suele durar varios meses, si no años. Sin embargo, una infección a largo plazo (& # x0003e 2 años) aumenta drásticamente el riesgo de cáncer inducido por virus. De manera similar, mientras que las infecciones por poliomavirus en humanos son típicamente asintomáticas, la persistencia a largo plazo del poliomavirus JC causa complicaciones en huéspedes inmunodeprimidos. En estos hospedadores, la infección por lo demás benigna puede extenderse al sistema nervioso, donde la infección viral puede entonces inducir un daño significativo (como se explica más adelante). La duración de la esperanza de vida de los animales, a diferencia de los huéspedes unicelulares, significa que los virus persistentes a largo plazo de las células animales han evolucionado para tener significativamente más interacciones con el sistema inmunológico del huésped durante la latencia de por vida, que las que se observan durante el bacteriófago o el virus de la arquea. lisogenia. Los avances recientes en la tecnología de secuenciación de alto rendimiento ahora permiten a los investigadores cuestionar si las mutaciones en los genomas virales están específicamente correlacionadas con la progresión de la enfermedad en estos entornos de infección crónica.

Co-divergencia con los anfitriones como motor de la diversificación del ADN

Una percepción común es que los virus de ARN mutan rápidamente, mientras que los virus de ADN son lentos y estables. Esto puede deberse a la opinión de que la diversidad de muchos virus de ADN puede explicarse por la co-divergencia con las especies hospedadoras, lo que sitúa la evolución viral en una escala de tiempo de millones de años. La co-divergencia a largo plazo y, en consecuencia, las bajas tasas de sustitución de nucleótidos se han respaldado en algunos virus de ADN; sin embargo, es probable que esto sea solo una parte de la ecuación. El desarrollo de nuevas tecnologías de secuenciación y la capacidad de incluir información temporal en modelos de reloj molecular nos permite estimar la tasa y la escala de tiempo de la evolución del virus independientemente del supuesto (fuerte) de co-divergencia. De hecho, muchos virus de ADN muestran tasas de evolución cercanas a las de los virus de ARN, que a su vez abarcan un rango de tasas de mutación. Es importante tener en cuenta que los datos de secuencia estructurados en el tiempo que abarcan años o décadas a menudo contienen polimorfismos de corta duración. Por lo tanto, los investigadores deben tener cuidado al comparar las tasas de mutación en escalas evolutivas tan distintas.

No obstante, para muchos virus, es esencial reconocer que tanto las escalas de tiempo cortas como las largas pueden proporcionar información valiosa. Si bien existe una sólida evidencia que respalda la co-divergencia de Polyomaviridae con sus huéspedes, estudios recientes han demostrado la necesidad de tener en cuenta una evolución más rápida dentro de esta familia de virus. En pacientes inmunodeprimidos, las mutaciones en la proteína de la cápside del poliomavirus JC le permiten escapar de los anticuerpos neutralizantes e invadir el sistema nervioso central, causando una enfermedad cerebral oportunista llamada leucoencefalopatía multifocal progresiva (LMP).La capacidad de evadir el sistema inmunológico & # x02013 mientras se mantiene extraordinariamente estable durante períodos de tiempo más largos & # x02013 sugiere que el Polyomaviridae evolucionan a dos ritmos distintos. En el caso de los parvovirus ssDNA, los investigadores que buscan comprender los determinantes de la variación del rango de hospedadores han probado el resultado de cultivar varios virus estrechamente relacionados (& # x0003e98% de identidad de nucleótidos) en células derivadas de hospedadores filogenéticamente distintos. Los autores encontraron que el parvovirus canino (CPV-2) sufrió una mutación extensa durante el paso en células huésped no nativas, mientras que no surgieron mutaciones en células del huésped nativo. Estos datos indican que el virus se adaptó bien a su especie hospedadora actual, pero que se necesitaban múltiples mutaciones en su proteína de superficie para infectar a diversas especies hospedadoras de manera eficiente. Estos datos ilustran cómo la dependencia del hospedador a largo plazo puede limitar las tasas de evolución en muchos virus de ADN.

Diferencias de un solo nucleótido como medida del cambio evolutivo

Es probable que mutaciones específicas, como polimorfismos de un solo nucleótido (SNP), inserciones y deleciones (denominadas en conjunto in / dels) experimenten diferentes dinámicas de selección, lo que influye en las posibilidades de que estas variaciones se fijen en la población. Sin embargo, a diferencia de las sustituciones de nucleótidos (es decir, SNP), los métodos para medir la tasa evolutiva de inserciones y deleciones (in / dels) no están bien desarrollados. Debido a esta limitación, nuestra comprensión de la evolución viral se basa principalmente en la medición de la acumulación de SNP a lo largo del tiempo, lo que ignora la influencia potencialmente crítica de otras fuentes de variación, como in / dels, fluctuaciones de repetición en tándem y recombinación (discutidas más adelante). ). Estudios recientes también han proporcionado evidencia de que las estimaciones de la tasa de evolución viral disminuyen a medida que aumentan sus escalas de tiempo de medición. Esto es evidente en el campo de la paleovirología. Por ejemplo, el ADN del hepadnavirus & # x0201c fosilizado & # x0201d integrado en los genomas de las aves sugiere que estos virus tienen al menos 19 millones de años. A su vez, esto implica una tasa de evolución significativamente más lenta de lo que se predijo basándose únicamente en los virus existentes.

Los primeros estudios sobre la tasa de mutación de los virus de ADN utilizando análisis de un solo gen o de un solo locus estimaron una tasa de mutación del orden de 1 & # x000d7 10 & # x02013 7 a 1 & # x000d7 10 & # x020138 sustituciones / sitio / año. Estos valores se han visto respaldados por comparaciones de todo el genoma de un puñado de virus de ADN grandes. Por ejemplo, un estudio reciente utilizó una técnica de secuenciación de alto rendimiento y alta fidelidad (HTSeq) llamada secuenciación dúplex para detectar mutaciones espontáneas en linajes clonales de adenovirus humano 5, y los autores encontraron que ocurrieron a una tasa de 1.3 & # x000d7 10 & # x020137 por base, por ciclo de infección. Esta tasa coincide bien con una estimación de todo el genoma de la in vitro y en vivo tasas de mutación para CMV murino, que se obtuvo mediante enfoques de escopeta de Sanger justo antes del desarrollo de HTSeq (

1 & # x000d7 10 & # x020137 mutaciones por pb por día). Estas bajas tasas de mutación son citadas a menudo por aquellos que desean contrastar la estabilidad del virus del ADN con la diversidad del virus del ARN. Sin embargo, los datos de los estudios de genómica comparativa basados ​​en modelos y HTSeq más recientes han indicado que los virus de ADN grandes pueden tener tasas de mutación más cercanas a 1 & # x000d7 10 & # x020135 o 1 & # x000d7 10 & # x020136. En nuestras comparaciones de subclones generados a partir de una población parental del virus del herpes simple 1 (HSV-1), observamos una variación del 3% & # x020134% entre los subclones, en todo el genoma. Otros estudios del VHS han demostrado que las mutaciones de resistencia a los fármacos antivirales pueden seleccionarse de una población de virus na & # x000efve en solo una ronda de pase viral in vitro. Estos datos sugieren que, al menos en determinadas circunstancias, se mantiene la variación permanente en las poblaciones de virus de ADN. Una teoría alternativa o adicional es que de novo Las mutaciones pueden ocurrir en regiones genómicas específicas con más frecuencia que en otras (p. ej., puntos calientes). La aplicación más amplia de medidas de variación viral en todo el genoma ayudará a dilucidar estas posibilidades.

En vivo Observaciones de diversidad dentro del hospedador y adaptación de virus de ADN

Los avances recientes en la secuenciación de alto rendimiento han permitido ahora la detección de variantes menores dentro de un solo aislado viral o paciente. Estos alelos menores pueden manifestarse como un nuevo alelo o genotipo dominante después de cuellos de botella poblacionales o presiones selectivas como la terapia antiviral. Se ha observado evidencia de absorción secuencial por distintas cepas de HCMV en pacientes adultos inmunodeprimidos, lo que demuestra tanto la existencia de coinfecciones como las oportunidades de recombinación y / o selección posterior. Los estudios de erupciones asociadas a la vacuna para el virus de la varicela-zóster (VZV) y de las infecciones congénitas por HCMV han demostrado el potencial de adaptación o segregación específica de nicho de variantes virales dentro de sitios corporales específicos de huéspedes infectados. Para el virus del papiloma humano 16 (HPV16), un estudio reciente de varios miles de mujeres utilizó una combinación de PCR y HTSeq basado en Illumina para revelar un nivel inesperadamente alto de variabilidad genética viral. Es de destacar que hubo una mayor variabilidad genética de HPV16 entre pacientes que dentro de un solo paciente, lo que sugiere que muchas de las diferencias de secuencia identificadas eran específicas de cada paciente. Curiosamente, las mujeres con lesiones precancerosas tuvieron una variación significativamente menor que las mujeres con una infección por VPH16 productiva (etapa temprana), lo que confirma que la transformación celular por VPH representa un cuello de botella genético. Este alto nivel de variabilidad entre pacientes demuestra que, al menos en algunos entornos, la tasa de mutación del VPH debe ser significativamente más alta que las 2 & # x000d7 10 & # x020138 sustituciones de nucleótidos / sitio / año previamente estimadas para el genoma de codificación viral. Es importante destacar que la tasa de evolución entre huéspedes superior a la esperada se opone a la noción de que un subconjunto de papilomavirus humanos (oncogénicos) fueron adquiridos por homínidos arcaicos durante su migración fuera de África. Juntos, estos datos indican que muchas poblaciones de virus de ADN pueden contener y / o generar variaciones permanentes después de la infección. También parece que esta variación no se transmite a menudo a un nuevo anfitrión. La falta de transmisión exitosa de estas variantes menores sugiere que la variación permanente en las poblaciones virales solo se vuelve fenotípicamente aparente después de la selección o los cuellos de botella de la población. Es importante destacar que estos estudios proporcionan evidencia que corrobora que los mecanismos moleculares de la evolución del virus del ADN que se han demostrado in vitro , también operar en vivo.

Fluctuaciones en el número de copias repetidas en tándem como mecanismo de evolución

Los cambios en la longitud o el número de copias de las repeticiones en tándem (TR) proporcionan otro mecanismo de evolución del virus. Los TR cortos generalmente se clasifican en tres grupos: homopolímeros, que son repeticiones secuenciales de una sola base (por ejemplo, 5 o más C & # x005f3s seguidos) microsatélites, que tienen una unidad de repetición de & # x0003c10 pares de bases (bp) y mini - o macrosatelites, que incluyen unidades repetidas de 10 & # x02013500 bp. Los mecanismos de expansión o contracción repetida varían según el tamaño de la repetición. Se presume que las variantes de longitud basadas en homopolímeros surgen principalmente a través del deslizamiento de la polimerasa, mientras que los TR más grandes pueden surgir mediante el bucle de la plantilla durante la progresión de la polimerasa o mediante la recombinación, como se describe a continuación. Las unidades repetidas de TR pueden ser copias perfectas o incluir imperfecciones menores en la secuencia repetida, y estas repeticiones pueden ocurrir tanto en regiones codificantes como no codificantes. En la codificación de secuencias, los elementos repetidos pueden contribuir a unidades estructurales de plegamiento de proteínas (por ejemplo, vueltas de una hélice alfa) o proporcionar longitudes variables de regiones no estructuradas dentro de una proteína de múltiples dominios. Se ha demostrado que las repeticiones no codificantes incluyen elementos promotores, motivos de unión de cromatina o aislante, así como elementos estructurales secundarios como cuadruplex y otros motivos.

Para muchas repeticiones en tándem, los únicos datos virales disponibles son la conservación de su posición en el genoma de una especie determinada, y quizás los datos sobre el grado en el que un TR dado varía en longitud a través de diferentes aislamientos de virus de la especie. Se han demostrado roles funcionales para TR seleccionados en solo un puñado de virus de ADN. En las pocas especies de herpesvirus que se ha demostrado que se integran en el genoma del hospedador, existen repeticiones teloméricas virales que funcionan en su integración en el hospedador. En otros herpesvirus no integrantes, las variaciones de longitud en los tractos homopoliméricos en los genes de la timidina quinasa (TK) y la polimerasa son una ruta común de escape viral del fármaco antivírico aciclovir. El desplazamiento del marco ribosómico de las transcripciones defectuosas en estos genomas resistentes a los fármacos permite la traducción de un nivel bajo de polimerasa o TK funcional, lo que permite la supervivencia viral incluso ante una mutación que de otro modo sería incapacitante. También se han descrito fluctuaciones en las longitudes de TR para poblaciones de poliomavirus JC en pacientes. En este caso, un genotipo o arquetipo de poliomavirus predominante se elimina en la orina de la mayoría de los individuos infectados, mientras que en el cerebro de los pacientes con leucoencefalopatía multifocal progresiva se encuentran formas reorganizadas con deleciones y variaciones de TR. Para los poxvirus y otros virus de ADN grandes, a menudo se han utilizado polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción (RFLP) para rastrear cambios en los genotipos y TR del virus dominantes a lo largo del tiempo. En un estudio reciente del virus del mixoma (un Poxviridae miembro), se observó que el tipo de RFLP predominante cambiaba cada año. La expansión de los límites de repetición terminal invertidos parece proporcionar al virus del mixoma una oportunidad de evolución. Asimismo, el genoma del vaccinia poxvirus muestra una heterogeneidad similar de las repeticiones terminales. Las purificaciones basadas en placas repetidas han demostrado que la heterogeneidad en las repeticiones terminales puede evolucionar rápidamente a partir del ADN de un solo virión de vaccinia. A medida que mejoren las tecnologías para rastrear las fluctuaciones en la longitud de los TR, sin duda será más fácil examinar estos cambios y comprender mejor su contribución a la adaptación y evolución del virus.

Los virus de ADN grandes se someten a una recombinación frecuente

La recombinación puede servir como fuerza impulsora de cambios evolutivos en los virus de ADN, similar a los cambios genéticos que resultan del reordenamiento en virus de ARN segmentados. La recombinación se puede clasificar como recombinación homóloga & # x02013 entre secuencias similares & # x02013 o como recombinación ilegítima o no homóloga. Para la mayoría de los virus de ADN de gran tamaño, se ha estudiado el potencial del genoma viral para recombinarse mediante el análisis de las relaciones filogenéticas entre los genomas virales que circulan naturalmente. Entre los adenovirus, que incluyen siete especies (adenovirus humano A-G) y múltiples serotipos, estudios recientes que aplican genómica comparativa basada en HTSeq han demostrado recombinantes tanto intraespecies como interespecies, a menudo asociados con infecciones patógenas. Por ejemplo, se descubrió que un recombinante intratípico circulante naturalmente del subtipo C de adenovirus humano es el agente etiológico de las infecciones respiratorias agudas graves en niños en China. También hay ejemplos de aislados históricos y recientes de adenovirus patógenos que parecen haber surgido de la transmisión zoonótica y la recombinación entre adenovirus de simios y humanos. Para el HCMV del beta-herpesvirus, múltiples estudios han demostrado un historial de recombinación desenfrenada entre los genomas de diferentes aislamientos. Las secciones o islas particulares del genoma del HCMV parecen haberse co-segregado, mientras que la recombinación generalizada entre cepas ha creado una mezcla de alelos en otras partes del genoma. Se cree que los genes en estas islas son codependientes, lo que supone un costo de aptitud para cualquier evento de recombinación que ocurra dentro de estas regiones. Se han demostrado niveles similares de recombinación dentro de las especies para la mayoría de los herpesvirus con suficiente disponibilidad de secuencia del genoma para hacer estas comparaciones. Recientemente, también se han observado datos que respaldan la posible recombinación entre especies entre estos virus, con ADN similar al HSV-1 detectado en varios loci del genoma del HSV-2. Asimismo, se reveló que un virus herpes aviar virulento que creó un brote en aves de corral australianas era un recombinante espontáneo derivado de dos vacunas vivas atenuadas que se utilizan en la zona. Para virus de ADN grandes como herpesvirus y poxvirus, los estudios de coinfección de laboratorio y el análisis de la progenie recombinante por HTSeq han definido aún más el potencial de recombinación en todo el genoma y han comenzado a definir puntos calientes o regiones con una mayor propensión a recombinarse. Juntos, estos datos demuestran el amplio papel de la recombinación en la evolución de genomas de virus de ADN grandes que se replican tanto en el núcleo como en el citoplasma.

Recombinación a diferentes frecuencias para pequeños genomas de virus de ADN

Los virus de ADN grandes parecen recombinarse más fácilmente que los virus de ADN ds pequeños del Papillomaviridae y Polyomaviridae. Incluso en condiciones experimentales controladas, no se ha descrito ninguna evidencia concluyente de recombinación dentro de estas dos familias de virus. Una teoría de esta falta de recombinación observable es que los virus más pequeños han optimizado completamente el uso de su propiedad genómica, de modo que es muy probable que los eventos de recombinación interrumpan genes co-dependientes o secuencias reguladoras & # x02013 y, por lo tanto, porten un valor demasiado alto. costo de aptitud para sobrevivir. Sin embargo, los análisis filogenéticos han identificado evidencia de varios eventos de recombinación dentro del Papillomaviridae. Como en el HCMV, parece que la recombinación antigua ha segregado regiones funcionales del genoma viral, separando los genes que codifican proteínas no estructurales de los genes estructurales. La recombinación no parece jugar un papel significativo en la adaptación a corto plazo de los papilomavirus, lo que implica que los virus hijas recombinados no son tan aptos como los genomas parentales. Apoyando esta hipótesis, incluso cuando se detectó evidencia de recombinación de HPV16 en un solo paciente, estos genomas recombinantes fueron incapaces de una replicación sostenida dentro del huésped. De manera similar, mientras que el análisis filogenético puede detectar evidencia de recombinación antigua cerca de la raíz del Polyomaviridae árbol filogenético, la recombinación no parece ser un componente significativo de la evolución en curso de poliomavirus. Sin embargo, los eventos raros de recombinación pueden contribuir y contribuyen a la evolución del virus. Por ejemplo, los esfuerzos de conservación para prevenir la extinción del bandicoot barrado occidental se han visto obstaculizados por un brote del virus de la carcinomatosis papilomatosis bandicoot tipo 1 (BPCV1), un recombinante entre un papilomavirus ancestral y un poliomavirus. Este virus es un híbrido que parece haber recombinado los genes estructurales del Papillomaviridae con los genes no estructurales de la Polyomaviridae. Estos ejemplos ilustran cómo los eventos de recombinación raros e inusuales pueden permitir la expansión dramática del espacio de la secuencia evolutiva viral.

A pesar de ser aproximadamente del mismo tamaño que el Polyomaviridae, los virus de ADN monocatenario se recombinan con relativa eficacia. Los parvovirus monocatenarios han demostrado una capacidad para saltar rápidamente a nuevos huéspedes, y se ha planteado la hipótesis de que la recombinación junto con una tasa de mutación relativamente alta subyace a esta capacidad. También se ha demostrado que los parvovirus se recombinan fácilmente en cultivos celulares. Aunque se desconoce el mecanismo de recombinación de parvovirus, se ha propuesto un papel para la estructura secundaria viral. De hecho, el origen de replicación del parvovirus forma una estructura en horquilla que es un punto caliente de recombinación, potencialmente debido al estancamiento de la ADN polimerasa en esta estructura secundaria. El intercambio de plantillas antes de la reinicialización de la replicación podría resultar en la formación de un genoma quimérico. Alternativamente, la replicación de parvovirus puede crear concatémeros intermedios. La resolución de estos concatémeros puede activar las enzimas de reparación del ADN, lo que lleva a la creación de virus mosaico a través del sistema de reparación de recombinación homóloga. Si bien la recombinación parece desempeñar un papel esencial en la evolución de los virus ssDNA, estos virus parecen haberse adaptado para minimizar las combinaciones de elementos reguladores incompatibles. Por ejemplo, el gen que codifica la proteína de replicación (Rep) y los elementos que actúan en cis que interactúan con la proteína de replicación se encuentran normalmente a menos de 100 nucleótidos entre sí. Esto asegura que es muy probable que la maquinaria de replicación permanezca junta y compatible después de cualquier evento de recombinación. Una comparación detallada de los patrones de recombinación dentro de los virus ssDNA también encontró que los puntos de corte tienden a caer fuera de los genes conocidos. Estas observaciones implican que los virus que expresan proteínas recombinantes no suelen ser tolerados.

Duplicación y deleciones de genes y segmentos del genoma

El resultado de la recombinación dentro de genomas idénticos o muy similares rara vez se nota, excepto en ocasiones en las que este evento conduce a la duplicación o pérdida de genes. La evidencia de la duplicación de genes y la subsecuente divergencia es frecuente en los genomas de adenovirus. Los incidentes antiguos de captura de genes presumiblemente produjeron esos productos génicos adenovirales con similitud con los genes del huésped o con los de otros virus, que se encuentran en muchos géneros adenovirales. Otras duplicaciones evolutivamente más recientes se encuentran en subconjuntos más pequeños de especies adenovirales. El fenómeno de la pérdida de genes ha sido bien documentado en los virus del herpes, donde a través de las diversas subfamilias alfa, beta y gamma de la Herpesviridae, se han encontrado muchos ejemplos de pérdida de genes durante la propagación viral in vitro. Los fenómenos de deriva genética y pérdida de genes se detectaron por primera vez en cepas del virus del beta herpes HCMV pasadas en laboratorio, donde las regiones genéticas se perdieron. in vitro Más tarde se descubrió que tenían funciones asociadas con el tropismo celular y la evasión inmune. en vivo. También se ha demostrado que el genoma de dsDNA de mimivirus extremadamente grande sufre pérdida de genes en ambos extremos durante el paso repetido en un hospedador amebal. En mimivirus, esta pérdida de genes se asoció con un cambio fenotípico en los viriones, que fue visible como una pérdida de fibrillas en la superficie del virión.

En contraste con la pérdida de genes, la duplicación de segmentos genéticos & # x02013 un acordeón de genes & # x02013 se ha demostrado mejor mediante una serie de elegantes estudios en poxvirus cultivados in vitro. Estos estudios demostraron que la expansión del número de copias de genes podría proporcionar una recuperación de la aptitud funcional después de la deleción de un gen viral central, al impulsar una mayor expresión de una versión del gen menos eficiente. Esta expansión también permitió la adaptación y eventual evolución de una función mejorada, a través de mutaciones que ocurrieron en las copias redundantes de este gen. Queda por determinar si este tipo de acordeón genético ocurre o no para los virus de ADN que se replican en el núcleo.La naturaleza segregada de la replicación y la transcripción nucleares, seguida de la traducción en el citoplasma, significa que los virus de replicación nuclear complementarán los defectos en los genomas de replicación conjunta. en trans , ya que las proteínas producidas en el citoplasma pueden ser utilizadas por todos los genomas de la progenie.

Entre los virus de ADN pequeños, un subconjunto de virus del papiloma humano se asocia con la papilomatosis respiratoria recurrente (PRR). Curiosamente, estos virus asociados a RRP no suelen considerarse virus oncogénicos. Sin embargo, aunque la PRR se considera una neoplasia benigna de la laringe, la afectación de los pulmones es casi invariablemente mortal. Los esfuerzos de secuenciación del genoma completo han implicado una duplicación del promotor viral y un subconjunto de genes virales en la progresión de RRP hacia la invasión pulmonar. Si bien la expansión de estos loci en el genoma del papilomaviral probablemente no sea importante durante un ciclo de vida viral normal, estos datos ilustran cómo las duplicaciones pueden proporcionar un poderoso mecanismo de adaptación para virus de evolución lenta.

Intercambio de virus de host a través de la transferencia horizontal de genes y elementos transponibles

La transferencia horizontal de genes (HGT) proporciona otra vía para la adaptación evolutiva tanto de los virus como de sus huéspedes. La HGT ha sido bien documentada entre especies hospedadoras de bacterias y arqueas, a menudo vectorizadas por grandes bacteriófagos de ADN o virus de arqueas. Datos recientes han demostrado que la HGT también puede tener lugar entre huéspedes eucariotas y sus virus. Por ejemplo, los elementos transponibles (TE) que se encuentran en el genoma de la polilla también se han detectado en los genomas de los baculovirus que infectan a estas polillas. Dado que este baculovirus infecta a varias especies de polillas coexistentes simpátricas, bien puede ser el vector histórico que movió a los ET entre estas diferentes especies hospedadoras. También se detectaron otras secuencias derivadas del hospedador en aproximadamente el 5% de los genomas de baculovirus de la progenie, aunque el ADN del hospedador cooptado no fue transportado más allá de unos pocos ciclos de replicación viral. La mayoría de las secuencias integradas del hospedador eran ET, pero otras parecían resultar de la recombinación en sitios de microhomología entre el hospedador y los genomas virales. No se sabe que la mayoría de los virus de ADN grandes se integren en el genoma del hospedador como parte de su estrategia de replicación general. Herpesvirus selectos de las subfamilias alfa y gamma se integran en el genoma del hospedador, aunque para estos virus parece ser un proceso reversible que puede conducir a una escisión posterior y una replicación no integradora. El virus de la enfermedad Marek & # x02019s, un alfa-herpesvirus de las aves de corral, y el herpesvirus humano (HHV) 6A y 6B, dos gamma-herpesvirus de los seres humanos, se integran en los telómeros del huésped como parte central de su ciclo de vida. La línea germinal o la integración cromosómica de los virus del herpes humano (ciHHV), generalmente HHV6A, se detecta en aproximadamente el 1% de la población humana, aunque las consecuencias clínicas del ciHHV aún se desconocen. Estos ejemplos recomiendan el uso de HTSeq en todo el genoma de poblaciones virales como un medio para detectar la transferencia horizontal de genes en acción.

Para los virus del papiloma y polioma de ADN pequeño, la integración de todo o un fragmento del genoma viral en el ADN de la célula huésped es un callejón sin salida evolutivo, con un resultado que, no obstante, es bien conocido por tener el potencial de inducir resultados dramáticos de células desreguladas. división y formación de tumores. En un estudio reciente de datos de HTSeq de cánceres de cabeza y cuello VPH positivos, se encontró evidencia que sugiere que el genoma del VPH puede replicarse como un minicromosoma híbrido viral y humano independiente, al menos en algunos casos. Estos datos implican que después de un evento de integración, el genoma viral puede ser escindido del cromosoma humano, creando un episoma circular híbrido viral & # x02013humano. En circunstancias particulares, estos genomas híbridos teóricamente podrían empaquetarse en viriones infecciosos. Sin embargo, considerando la estricta regulación de la replicación del virus del papiloma, parece poco probable que estos genomas híbridos puedan establecer una infección en el próximo huésped.


¿Riesgos de virus latentes que residen en genomas antiguos bajo investigación? - biología

Las distinciones entre viriones y virus y células modernas y antiguas son cruciales para comprender el origen y la evolución de los virus.

Los virus pueden definirse mejor por sus características genéricas de propagación y diseminación del genoma que por las propiedades físicas o biológicas de sus viriones o huéspedes.

Los genomas de virus se caracterizan por la abundancia de genes específicos de virus que carecen de homólogos celulares detectables. A pesar de su abundancia, los genes específicos de virus rara vez se analizan en los modelos de origen y evolución del virus.

Los métodos basados ​​en alineamientos no son adecuados para los orígenes de la investigación de la vida, especialmente cuando el objetivo es colocar organismos o virus de rápida evolución en el árbol de la vida.

Las estructuras de proteínas pueden proporcionar una mejor alternativa para resolver las ramas muy profundas del árbol de la vida.

La pandemia de COVID-19 en curso ha despertado el interés público en las propiedades, la evolución y la aparición de virus. Aquí, discutimos cómo estas preguntas básicas han permanecido sorprendentemente en disputa a pesar de estar cada vez más al alcance del análisis científico. Revisamos los esfuerzos recientes basados ​​en datos que arrojan luz sobre el origen y la evolución de los virus y explican los factores que se resisten a la aceptación generalizada de nuevos puntos de vista y conocimientos. Proponemos una nueva definición de virus que no se limita a la presencia o ausencia de ninguna característica genética o física, detallamos un escenario de cómo los virus probablemente se originaron a partir de células antiguas y explicamos los sesgos técnicos y conceptuales que limitan nuestra comprensión de la evolución del virus. Observamos que los aspectos filosóficos de la evolución del virus también influyen en la forma en que podríamos prepararnos para futuros brotes.


Los virus deciden colectivamente el destino de las células bacterianas

Un nuevo estudio sugiere que los virus que infectan bacterias, llamados fagos, pueden tomar decisiones colectivas sobre si matar las células huésped inmediatamente después de la infección o entrar en un estado latente para permanecer dentro de la célula huésped.

La investigación, publicada en la edición del 15 de septiembre de Biophysical Journal, muestra que cuando varios virus infectan una célula, esto aumenta la cantidad de genomas virales y, por lo tanto, el nivel general de expresión de genes virales. Los cambios en la expresión de genes virales pueden tener un efecto dramático no lineal en las redes de genes que controlan si los virus salen de la célula huésped o entran en un estado latente.

"Lo que ha confundido a la comunidad virológica durante bastante tiempo es la observación de que el destino celular de una bacteria infectada por un solo virus puede ser dramáticamente diferente al de una bacteria infectada por dos virus", dijo Joshua Weitz, profesor asistente de la Facultad de Biología. en el Instituto de Tecnología de Georgia. "Nuestro estudio sugiere que los virus pueden decidir colectivamente si matar o no a un huésped, y que los virus individuales 'hablan' entre sí como resultado de las interacciones entre los genomas virales y las proteínas virales que el huésped infectado debe producir".

Para estudiar las infecciones virales, Weitz se asoció con el becario postdoctoral Yuriy Mileyko, el estudiante de posgrado Richard Joh y Eberhard Voit, quien es profesor en el Departamento de Ingeniería Biomédica de Wallace H. Coulter, el Profesor David D. Flanagan de Georgia Research Alliance Eminent Scholar in Biological Systems y director del nuevo Integrative BioSystems Institute en Georgia Tech.

Casi todos los estudios teóricos previos han afirmado que el cambio entre las vías de "lisis" y "latencia" depende de algún cambio en las condiciones ambientales o del azar. Sin embargo, este nuevo estudio sugiere que la respuesta a la coinfección puede ser una característica evolutiva del ciclo de vida viral.

Para este estudio, los investigadores analizaron el circuito de decisión que determina si un virus elige inicialmente la vía que mata a la célula huésped y ndash llamada vía lítica & ndash o la vía donde permanece latente dentro de la célula huésped & ndash llamada vía lisogénica.

Cuando se selecciona la vía lítica, el virus utiliza recursos bacterianos para replicarse y luego destruye la célula huésped, liberando nuevos virus que pueden infectar otras células. Por el contrario, en la vía lisogénica, el genoma viral se inserta en el genoma bacteriano y se replica junto con él, mientras reprime los genes virales que conducen a la lisis. El virus permanece inactivo hasta que cambian las condiciones del hospedador, lo que puede resultar en un cambio a la vía lítica.

La decisión del circuito genético que controla si un virus elige inicialmente la lisis o la lisogenia no es aleatoria. En cambio, el destino celular está controlado por la cantidad de virus que infectan de manera coordinada, según el nuevo estudio, que fue financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, la Fundación Nacional de Ciencia y el Fondo Burroughs Wellcome.

"En el caso de quizás el bacteriófago más estudiado, el fago lambda, la evidencia experimental indica que un solo fago infectante conduce a la muerte de la célula huésped y la liberación viral, mientras que si dos o más fagos infectan a un huésped, el resultado es típicamente latencia", explicó Weitz. , quien es un miembro principal del nuevo Instituto Integrativo de BioSistemas en Georgia Tech. "Queríamos saber por qué dos virus se comportarían de manera diferente a un solo virus, dado que los virus que infectan poseen el mismo circuito de decisión genética".

Para averiguarlo, los investigadores modelaron la compleja dinámica reguladora de genes del interruptor lisis-lisogenia para el fago lambda. Hicieron un seguimiento de la dinámica de tres genes clave y ndash cro, cI y cII y ndash y su producción de proteínas. El circuito de decisión involucró ciclos de retroalimentación tanto negativos como positivos, que respondieron de manera diferente a los cambios en el número total de genomas virales dentro de una célula. El circuito de retroalimentación positiva se vinculó a la vía lisogénica y el circuito de retroalimentación negativa se vinculó a la vía lítica.

Con un solo virus, dominó el cro y prevaleció la vía lítica. Si el número de virus coinfectantes excedía un cierto umbral, el circuito de retroalimentación positiva asociado con cI dominaba, girando el interruptor a la vía lisogénica. Las diferencias en el destino de las células bacterianas eran marcadas y dependían de si había o no uno o dos virus dentro de una célula determinada.

Los investigadores encontraron que el gen cII actuaba como puerta del sistema. El aumento del número de virus llevó el nivel dinámico de proteínas cII más allá de un punto crítico que facilitó la producción de proteínas cI que conducen a la vía lisogénica.

"El circuito de decisión es una carrera entre dos vías y en el caso de un solo virus, el resultado está sesgado hacia la lisis", explicó Weitz. En nuestro modelo, cuando varios virus infectan una célula determinada, aumenta la producción general de proteínas reguladoras. Este aumento transitorio se ve reforzado por un bucle de retroalimentación positiva en la vía de latencia, lo que permite una producción aún mayor de proteínas lisogénicas y, en última instancia, el resultado latente. "

La idea central en el modelo propuesto por Weitz y colaboradores es que los aumentos en la cantidad total de proteínas virales producidas a partir de múltiples genomas virales pueden tener un efecto dramático en las redes de genes no lineales que controlan el destino celular.

"Aún quedan muchas preguntas, incluyendo hasta qué punto los virus subsiguientes pueden cambiar el resultado de virus previamente infectados, pero aún no comprometidos, y hasta qué punto los microambientes dentro del hospedador impactan el destino de la célula", agregó Weitz. "No obstante, este estudio propone una explicación mecanicista a una paradoja de larga data al mostrar que cuando varios virus infectan una célula huésped, esos virus pueden tomar una decisión colectiva en lugar de comportarse como lo harían individualmente".

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Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Georgia. Nota: El contenido puede editarse por estilo y longitud.


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