Revista XXVIII No. 4 de 2018

Severidad del dengue: aproximación a su estudio desde el análisis genético de los virus

Severidad del dengue: aproximación a su estudio desde el análisis genético de los virus

Severidad del dengue: aproximación a su estudio desde el análisis genético de los virus

José A. Usme-Ciro Biol, M. C., Ph. D.

Unidad de Secuenciación y Genómica, Grupo de Virología, Instituto Nacional de Salud, Bogotá, Colombia.

Katherine Laiton-Donato Bact, M. C.

Unidad de Secuenciación y Genómica, Grupo de Virología, Instituto Nacional de Salud, Bogotá, Colombia.

 

Correspondencia: jusme@ins.gov.co

Resumen

Los virus, entes biológicos con capacidad de mutar y evolucionar, han sido responsables de múltiples epidemias en los humanos a través de la historia. El virus dengue es el principal representante de los virus transmitidos por mosquitos en países tropicales y ha tenido un enorme impacto epidemiológico por la gran cantidad de infecciones y la severidad de la enfermedad. Aunque el desenlace clínico del dengue es multifactorial y difícil de pronosticar, los avances tecnológicos en secuenciación de genomas completos se convierten en una nueva oportunidad para identificar mutaciones que le confieran al virus una mayor virulencia.

Palabras clave

Virus dengue; virulencia; mutación; dengue grave; caracterización molecular

Abstract

Viruses, biological entities able to mutate and evolve have been responsible for multiple human epidemics through the history. Dengue virus is the most important mosquito-borne virus in tropical countries because of the high number of infections and the disease severity. Although the dengue clinical outcome is multifactorial and prognosis is difficult, technological advances in complete genomes sequencing become a new opportunity to identify mutations conferring a major virus virulence.

Keywords

Dengue virus; virulence; mutation; severe dengue; molecular characterization

Los virus han acompañado a la humanidad en toda su historia. Algunos virus han sido tan exitosos en colonizar al humano que se han convertido en pandemias. El riesgo de infección por virus como el dengue es inminente en zonas tropicales donde abunda el mosquito vector y la principal incertidumbre a la cual médicos y pacientes se enfrentan es el no saber cuál será el desenlace clínico de la enfermedad. En la última década, los avances tecnológicos puestos al servicio del diagnóstico, tales como la Secuenciación de Próxima Generación (NGS, por sus siglas en inglés), han mejorado ostensiblemente nuestra habilidad para identificar el agente causal de una enfermedad, al punto de permitirnos identificar pequeñas diferencias al nivel molecular. Estos datos en conjunto con robustas herramientas de análisis computacional y ensayos biológicos complementarios son una luz de esperanza en medicina para la identificación de mutaciones en el genoma de los virus que expliquen su virulencia, que nos permitan predecir la gravedad de la enfermedad que causan y responder con la atención oportuna y el tratamiento adecuado.

 

Generalidades de los virus

Los virus, al carecer de un metabolismo propio se ubican en el limbo entre lo vivo y lo inerte, por lo cual son considerados entes biológicos que comparten algunas de las características que definen a los seres vivos, siendo la más importante el poseer un genoma de ácido ribonucleico (ARN) o ácido desoxirribonucleico (ADN) sujeto a los mecanismos que rigen la evolución biológica (1).

A pesar de que los virus poseen la información genética necesaria para dirigir sus procesos, son incapaces de utilizarla de forma autónoma, dependen de una célula huésped, aquella que le provee la energía y la maquinaria necesaria para la producción de nuevas partículas virales. El ciclo de replicación de los virus consiste en una serie de pasos a través de los cuales logran multiplicarse en la célula huésped. Estos son: adhesión, entrada, desnudamiento, producción de proteínas virales, replicación del genoma viral, ensamblaje y liberación de nuevos virus (2). Múltiples proteínas propias de la célula participan en cada uno de los pasos del ciclo de replicación viral. El éxito de un determinado virus para invadir un tipo específico de células se explica principalmente por la presencia las proteínas celulares de membrana (receptores) que favorecen su interacción con proteínas expuestas en la superficie del virus.

En diferentes momentos de su ciclo de replicación, los virus son sometidos a procesos de deriva genética y selección natural, que se encargan de moldear su variabilidad genética resultante de la replicación del genoma por medio de enzimas virales propensas a cometer múltiples errores (mutaciones) y carentes de actividad correctora. La deriva genética, es decir, la escogencia al azar de las variantes genéticas (mutantes) que contribuyen a la siguiente generación de virus, puede definir el destino de un mutante, independientemente de su ventaja a nivel biológico con respecto a otros mutantes presentes en la población viral, solo se requiere que esté presente al momento de la transmisión y que sea el afortunado de fundar la nueva población de virus que invadirá un nuevo organismo (1).

Por otro lado, la selección natural, siendo un proceso más refinado y conocido por todos, se encargará de eliminar de la población aquellos mutantes incapaces de generar su ciclo de replicación y gradualmente aquellos que presenten un desempeño subóptimo en un determinado ambiente celular (1). El resultado final, que ahora reconocemos, es la existencia de virus adaptados a cada uno de los ambientes celulares posibles, desde células de procariotas como las bacterias, hasta células de todos los grupos taxonómicos de eucariotas (protozoarios, animales, vegetales, hongos) (figura 1).

 

El virus dengue

El virus dengue, en particular, por su organización genómica similar a la del virus de la fiebre amarilla, ha sido agrupado en la familia Flaviviridae (palabra que deriva del latín flavus que significa amarillo). Su genoma es una molécula de ARN que contiene la información necesaria para regular todos los procesos celulares y moleculares que permiten su propagación. Existen cuatro serotipos del virus, capaces de inducir en el huésped una respuesta inmune diferente, por lo cual se comportan como cuatro virus distintos y ninguno de ellos permite generar una respuesta inmune protectora contra los demás serotipos (3).

 

Epidemiología del dengue

El virus dengue causa una enfermedad de gran importancia en salud pública que frecuentemente sobrecarga los sistemas de salud en más de 110 países de las regiones tropical y subtropical alrededor del mundo donde hace presencia su principal vector, el mosquito Aedes aegypti. Se estima que aproximadamente 390 millones de personas se infectan cada año en el mundo, de las cuales aproximadamente 90 millones desarrollan manifestaciones clínicas, que oscilan desde una enfermedad febril leve conocida como dengue sin signos de alarma, hasta un dengue grave en aproximadamente 20 000 casos (4). Colombia no ha sido ajena al problema del dengue, desde su reemergencia a principios de la década de 1970, el país ha lidiado con picos epidémicos periódicos de dengue cada 3 a 5 años, con valores que oscilan entre los 20 000 y 140 000 casos aproximadamente, en periodos interepidémicos y epidémicos, respectivamente (5).

Desde la década de 1980, la circulación de los cuatro serotipos del virus dengue se ha evidenciado en Colombia y desde 1989 se tienen reportes de casos graves de la enfermedad, cuyo aumento gradual en los últimos años ha representado una importante carga de enfermedad para el país (6), con el agravante de la carencia de un tratamiento específico y una vacuna licenciada para su prevención (7).

 

Las múltiples hipótesis sobre el dengue grave

Existe un sinnúmero de factores que contribuyen al desarrollo del dengue grave y las mortalidades por dengue, entre ellos la edad, la predisposición genética, el estado nutricional y la demora en la atención en salud. Una de las principales hipótesis para explicar la progresión al dengue grave tiene que ver con la susceptibilidad que se genera en un individuo luego de una primera infección con un serotipo del virus que lleva a la producción de anticuerpos contra dicho serotipo. Se ha evidenciado que estos anticuerpos son capaces de reconocer y unirse a los virus de otros serotipos durante una segunda infección, pero son incapaces de neutralizarlos y, por el contrario, facilitan su entrada a las células y su posterior multiplicación. Esta hipótesis, también conocida como potenciación mediada por anticuerpos (ADE, por sus siglas en inglés), es ampliamente aceptada por la comunidad científica (8) y explicaría una alta proporción de los casos graves en países como Colombia, donde frecuentemente circulan de manera simultánea los cuatro serotipos del virus dengue (6). Sin embargo, no todos los casos graves pueden ser explicados a través de esta hipótesis, por lo cual se infiere la existencia de otros factores, entre ellos las características genéticas del virus que determinan su virulencia y la severidad de la enfermedad (figura 2).

 

Descifrando genomas virales completos a través de NGS

Existen diferentes métodos de secuenciación que permiten descifrar el orden de los nucleótidos (A, U, C, G) que constituyen la secuencia de ARN o genoma del virus dengue. Uno de ellos fue ideado por Frederick Sanger en 1977 y permitió la lectura de secuencias de aproximadamente 500 nucleótidos por reacción; fue el método estándar durante décadas para realizar secuenciación de genomas completos de diversos virus, microorganismos y organismos mayores, incluido el humano. No obstante, durante las dos últimas décadas ha habido un gran avance a nivel científico y tecnológico, lo que ha permitido el surgimiento de nuevos métodos, denominados en su conjunto como NGS (9).

A través de la NGS es posible obtener lecturas de millones de fragmentos pequeños en una única reacción, correspondientes a regiones aleatorias de un genoma. Los datos obtenidos mediante NGS requieren el análisis con herramientas bioinformáticas robustas para el ensamblaje de las lecturas individuales con el fin de lograr consensos y reconstruir secuencias de mayor longitud que bien podrían corresponder al genoma completo de un virus. Estos nuevos métodos garantizan, por ende, una mayor cobertura (potencial de generar información de una región mayor del genoma) y mayor profundidad (múltiples fragmentos podrían aportar información sobre una misma región, aumentando la confiabilidad en cada nucleótido resuelto) (figura 3). Estas características son una enorme ventaja durante el análisis comparativo de genomas de virus como el dengue, si se desean evaluar cambios puntuales a lo largo de la secuencia que impliquen un rol biológico durante la infección o en la severidad de la enfermedad.

 

Análisis genómico comparativo e identificación de determinantes de virulencia

La virulencia puede ser definida como la habilidad de un agente infeccioso para causar enfermedad en un individuo susceptible. La virulencia puede diferir significativamente entre dos cepas virales como resultado de diferencias genéticas entre estas, las cuales favorecen en mayor o menor medida su multiplicación en las células del huésped. Los estudios de genómica comparativa (análisis in silico, que consisten en la comparación de secuencias de ADN y ARN mediante herramientas computacionales) (10), sumados a las evidencias epidemiológicas y ensayos in vitro e in vivo, se han convertido en importantes fuentes de información para la identificación de mutaciones que contribuyan mayoritariamente a la replicación y producción viral (curvas de crecimiento y fenotipo de placas) (figura 4), a la virulencia de las cepas (casos de dengue vs. dengue grave) e, incluso, a la transmisión y consecuente desarrollo del patrón epidémico de la enfermedad.

El virus dengue ha sido el agente viral transmitido por vectores de mayor importancia en Colombia y otros países de la franja tropical alrededor del mundo. Existe un gran vacío en el conocimiento de los factores que determinan la progresión al dengue grave, principalmente en la identificación de mutaciones en los virus que contribuyan a su virulencia. Si bien la severidad del dengue es multifactorial y se reconoce el papel mayoritario del componente inmunológico, los avances en NGS, sumados a los ensayos in vitro, in vivo e in silico, se convierten en una combinación poderosa para la identificación de determinantes genéticos de virulencia en el genoma del virus dengue. Su identificación en cepas de virus circulantes a nivel individual o responsables de epidemias nos permitiría predecir el riesgo que estos virus suponen para la salud individual y para la salud pública.

 

Agradecimientos

Este artículo hace parte de la investigación financiada por el Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación (Colciencias), con código 210465740977.

 

Referencias

  1. Usme-Ciro JA. Evolución viral: las bases moleculares de la eficacia biológica. En: Corredor, M., Mejía, JA, editores. Evolución: el legado de Darwin. Medellín: Editorial Universidad de Antioquia; 2018. p. 27-52.

  2. Flint SJ, Enquist, LW, Racaniello VR, Skalka AM. Principles of Virology. 3a ed. Nueva York: ASM Press; 2008.

  3. Guzman MG, Harris E. Dengue. Lancet. 2015;385(9966):453-65. doi: http://doi.org/10.1016/S0140-6736(14)60572-9.

  4. Bhatt S, Gething PW, Brady OJ, Messina JP, Farlow AW, Moyes CL, et al. The global distribution and burden of dengue. Nature. 2013;496(7446):504-7. doi: http://doi.org/10.1038/nature12060.

  5. Padilla JC, Rojas DP, Sáenz-Gómez R. Dengue en Colombia: Epidemiología de la reemergencia a la hiperendemia. Bogotá: Ministerio de Salud y Protección Social de Colombia; 2012.

  6. Méndez JA, Usme-Ciro JA, Domingo C, Rey GJ, Sánchez JA, Tenorio A, Gallego-Gomez JC. Phylogenetic reconstruction of dengue virus type 2 in Colombia. Virology Journal. 2012;9:64. doi: http://doi.org/10.1186/1743-422X-9-64.

  7. The Lancet Infectious Diseases (Editorial). The dengue vaccine dilemma. Lancet Infect Dis. 2018;18(2):123. doi: http://doi.org/10.1016/S1473-3099(18)30023-9.

  8. Halstead SB. Pathogenesis of dengue: challenges to molecular biology. Science. 1988;239(4839):476-81. doi: http://doi.org/10.1126/science.239.4839.476.

  9. Goodwin S, McPherson JD, McCombie WR. Coming of age: ten years of next-generation sequencing technologies. Nature Reviews in Genetics. 2016;17(6):333-51. doi: http://doi.org/10.1038/nrg.2016.49.

  10. Geoghegan JL, Holmes EC. The phylogenomics of evolving virus virulence. Nat Rev Genet. 2018;19(12):756-69. doi: http://doi.org/10.1038/s41576-018-0055-5.

 

 

 

Figura 1. Los virus han colonizado todos los dominios de seres vivos existentes. A pesar de la gran distancia evolutiva entre los diferentes dominios de la vida, las diversas formas y genomas virales han logrado replicarse exitosamente en cualquier especie biológica.

Fuente: adaptado de http://bio1152.nicerweb.com/Locked/media/ch26/26_21-ThreeDomains-L.jpg

 

Figura 2. Contribución del virus dengue a la severidad de la enfermedad. Las características genéticas propias del virus infectante pueden definir el desenlace clínico de la enfermedad. Como ejemplo, una cepa de DENV-2 denominada “no virulenta”, podría ser responsable de una infección asintomática o una enfermedad leve, mientras que otra denominada “virulenta” podría desencadenar en un dengue grave y potencialmente mortal en un individuo susceptible.

Fuente: elaboración propia.

 

Figura 3. El poder de la secuenciación de próxima generación (NGS). A través de la fragmentación del ácido nucleico y posterior secuenciación de cada uno de los fragmentos de manera simultánea, es posible reconstruir la secuencia de genomas virales completos (con máxima cobertura y profundidad) que puedan ser comparados con otros, con el fin de identificar mutaciones que expliquen las diferencias en replicación y severidad de la enfermedad.

Fuente: .

 

 

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