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conmutador de host

En parasitología y epidemiología , un cambio de huésped (o cambio de huésped ) es una modificación evolutiva de la especificidad de huésped de un parásito o patógeno . Por ejemp...

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En parasitología y epidemiología , un cambio de huésped (o cambio de huésped ) es una modificación evolutiva de la especificidad de huésped de un parásito o patógeno . Por ejemplo, el virus de la inmunodeficiencia humana solía infectar y circular en primates no humanos en África centro-occidental, pero cambió a humanos a principios del siglo XX. [ 1 ] [ 2 ]

Todas las especies simbióticas , como parásitos, patógenos y mutualistas , exhiben cierto grado de especificidad de huésped. Esto significa que los patógenos están altamente adaptados para infectar a un huésped específico, en términos de, entre otros aspectos, la unión a receptores, las contramedidas para los factores de restricción del huésped y los métodos de transmisión. Se encuentran en el cuerpo (o en la superficie corporal) de una sola especie huésped o, más frecuentemente, en un conjunto limitado de especies huésped. En este último caso, las especies huésped adecuadas tienden a estar relacionadas taxonómicamente, compartiendo morfología y fisiología similares. [ 3 ]

La especiación es la creación de una especie nueva y distinta mediante la evolución , por lo que existen diferencias únicas entre todos los seres vivos de la Tierra. Dado que los perros y las aves pertenecen a clases de animales muy diferentes —por ejemplo, los perros tienen pelaje y las aves tienen plumas y alas—, sabemos que su constitución biológica fundamental es tan distinta como su apariencia física, desde sus mecanismos celulares internos hasta su respuesta a las infecciones. Por lo tanto, los patógenos específicos de cada especie deben superar múltiples barreras de hospedadores para que su nuevo huésped pueda sustentar la infección.

Un posible escenario de coespeciación entre homininos y sus piojos. La filogenia de las especies de homininos (humanos y parientes cercanos) en gris y la de sus piojos hematófagos en rojo. La coespeciación dio lugar a topologías similares, excepto por dos eventos evolutivos. Primero, los piojos de los gorilas cambiaron de huésped a los humanos para fundar la especie piojo púbico . Segundo, el piojo humano se duplicó en dos formas: el piojo de la cabeza y el piojo del cuerpo . [ 4 ]

Tipos de conmutación de host

Un área de hospedadores (verde) se retira hacia el sur y avanza hacia el norte. Los cilindros representan poblaciones de hospedadores con un tamaño poblacional estable o cambiante. Las poblaciones de parásitos están representadas por flechas rojas. El cambio de hospedador ocurre con mayor frecuencia cuando se dirige a poblaciones de hospedadores de tamaño creciente, como las poblaciones pioneras de una especie invasora (arriba). Por el contrario, el cambio de hospedador ocurre con mayor frecuencia para alejarse de poblaciones de hospedadores en declive, como las poblaciones relictas que quedan tras la regresión de un área de hospedadores (abajo). [ 5 ] [ 6 ]

Estudios recientes han propuesto discriminar entre dos tipos diferentes de cambio evolutivo en la especificidad del huésped. [ 5 ] [ 6 ]

Según esta perspectiva, el cambio de huésped puede ser una colonización repentina y accidental de una nueva especie huésped por parte de unos pocos parásitos capaces de establecer una población nueva y viable. Tras un cambio de este tipo, la nueva población queda más o menos aislada de la población de la especie huésped donante. Esta nueva población no afecta el destino posterior de los parásitos conespecíficos en el huésped donante y, finalmente, puede conducir a la especiación del parásito. Este tipo de cambio tiene más probabilidades de afectar a una población huésped en crecimiento que alberga una fauna de parásitos/patógenos relativamente pobre, como las poblaciones pioneras de especies invasoras. El cambio del VIH al huésped humano es de este tipo.

Alternativamente, en el caso de un parásito con múltiples huéspedes, el cambio de hospedador puede ocurrir como una modificación gradual del rol relativo de una especie hospedadora, que pasa de ser hospedadora secundaria a primaria. La antigua hospedadora primaria se convierte lentamente en secundaria, o incluso puede llegar a ser abandonada por completo. Este proceso es más lento y predecible, y no aumenta la diversidad de parásitos. Generalmente ocurre en una población de hospedadores en declive que alberga una fauna de parásitos/patógenos relativamente rica en relación con el tamaño de la población.

Características de conmutación de host

Motivo de los eventos de cambio de host

Todas las enfermedades tienen un origen. Algunas circulan en poblaciones humanas y son conocidas por los epidemiólogos, pero su evolución puede dar lugar a la aparición de una nueva cepa más virulenta, como por ejemplo la tuberculosis multirresistente . En otros casos, se descubren enfermedades que no se habían observado ni estudiado previamente. Estas pueden surgir debido a cambios en el huésped que permiten que el patógeno evolucione y se adapte a los humanos, y solo se descubren a raíz de un brote infeccioso.

Un patógeno que cambia de huésped emerge como una nueva forma del virus capaz de circular dentro de una nueva población. Las enfermedades que surgen de esta manera pueden ocurrir con mayor frecuencia debido a la sobreexposición humana a la vida silvestre. Esto puede ser resultado de la urbanización , la deforestación , la destrucción de hábitats de vida silvestre y cambios en las prácticas agrícolas . Cuanto mayor sea la exposición humana a la vida silvestre, mayor será la probabilidad de infecciones transmitidas a otros animales y más se verán expuestos los patógenos a presiones de selección específicas para los humanos . Por lo tanto, el patógeno se ve impulsado a una adaptación específica y tiene más probabilidades de adquirir las mutaciones necesarias para superar la barrera de especies y volverse infeccioso para los humanos.

Cambio de huésped y patogenicidad

El problema de las enfermedades que surgen en nuevas especies radica en que la población huésped carece de inmunidad previa. Esto significa que el huésped nunca ha estado expuesto al patógeno y no posee anticuerpos ni protección contra la infección. Esto hace que el cambio de huésped sea peligroso y puede dar lugar a infecciones más patógenas. El patógeno no está adaptado para sobrevivir en este nuevo huésped, y este desequilibrio en la historia de la coevolución puede provocar infecciones agresivas. Sin embargo, es fundamental controlar este equilibrio para que el patógeno mantenga su infección en el nuevo huésped y no diezme la población.

Etapas del cambio de host

Imagen que muestra la propagación de cada etapa del cambio de huésped y el nivel de infección. El círculo rojo más pequeño representa el evento de transmisión inicial y el incidente aislado. A esto le sigue la transmisión local antes de convertirse en una epidemia en un país con transmisión sostenida. Si todas estas etapas se completan con éxito, el patógeno tiene el potencial de alcanzar el estatus de pandemia.

Un patógeno que experimenta un cambio de huésped es impulsado por presiones selectivas para adquirir los cambios necesarios que le permitan sobrevivir y transmitirse en la nueva especie huésped. Según una revisión de Microbiología y Biología Molecular de 2008, [ 7 ] este proceso de cambio de huésped se puede definir mediante tres etapas:

  • Infección aislada
-Una infección aislada de un nuevo huésped sin infección posterior dentro de la nueva especie.
-Desbordamientos hacia huéspedes sin salida
  • efectos indirectos locales
-Eventos de contagio que provocan pequeñas cadenas de transmisión local.
-Transmisión epidémica sostenida del patógeno dentro de la nueva especie huésped.
-Propagación mundial de la infección por la enfermedad

La exposición a nuevos entornos y especies hospedadoras es lo que permite la evolución de los patógenos. Los primeros eventos de infección aislada exponen al patógeno a la presión selectiva de la supervivencia en esa nueva especie, a la que algunos se adaptarán con el tiempo. Esto da lugar a patógenos con adaptaciones primarias que permiten brotes más pequeños dentro de este nuevo hospedador potencial, aumentando la exposición e impulsando una mayor evolución. Esto conduce a la adaptación completa del hospedador y a la capacidad de una epidemia mayor, y el patógeno puede sobrevivir de forma sostenible en su nuevo hospedador, es decir, un cambio de hospedador. Los patógenos suficientemente adaptados también pueden alcanzar el estatus de pandemia, lo que significa que la enfermedad ha infectado a todo un país o se ha propagado por todo el mundo.

Zoonosis y contagio

Una zoonosis es un tipo específico de infección entre especies en la que las enfermedades se transmiten de animales vertebrados a humanos. Una característica importante de las enfermedades zoonóticas es que se originan en reservorios animales, esenciales para la supervivencia de los patógenos zoonóticos. [ 8 ] Estos existen de forma natural en poblaciones animales de manera asintomática , o causando una enfermedad leve, lo que dificulta encontrar el huésped natural ( reservorio de la enfermedad ) y hace imposible su erradicación, ya que el virus siempre seguirá presente en especies animales silvestres.

Los patógenos zoonóticos que logran transmitirse de forma permanente de animales vertebrados a humanos han experimentado un cambio de huésped y, por lo tanto, pueden sobrevivir al estar adaptados a la transmisión en poblaciones humanas. Sin embargo, no todas las infecciones zoonóticas completan este cambio de huésped y solo existen como eventos aislados de menor magnitud. Estos se conocen como contagios de origen animal. Esto significa que los humanos pueden infectarse con un patógeno animal, pero este no necesariamente se establece y se convierte en una enfermedad de transmisión humana que circula en las poblaciones humanas. Esto se debe a que no se producen las adaptaciones necesarias para que el patógeno sea sostenible y transmisible en el nuevo huésped.

Algunos eventos de transmisión entre especies son importantes, ya que pueden indicar que un patógeno se está acercando a un potencial epidémico/pandémico. Las pequeñas epidemias demuestran que el patógeno se está adaptando mejor a la transmisión entre humanos y adquiriendo estabilidad en la población humana. Sin embargo, existen algunos patógenos que no poseen esta capacidad de propagarse entre humanos. Este es el caso de eventos de transmisión entre especies, como la rabia . Los humanos infectados por la mordedura de animales rabiosos no suelen transmitir la enfermedad, por lo que se clasifican como huéspedes terminales. [ 9 ]

En Zoonosis se puede encontrar una lista exhaustiva de infecciones zoonóticas .

Estudios de caso

Los siguientes patógenos son ejemplos de enfermedades que han cruzado la barrera de especies y se han transmitido a la población humana, lo que pone de manifiesto la complejidad de este cambio.

Influenza

La influenza —también conocida como gripe— es uno de los virus más conocidos que sigue representando una enorme carga para los sistemas de salud actuales y es la causa más común de infecciones respiratorias humanas . [ 10 ] La influenza es un ejemplo de cómo un virus puede saltar continuamente la barrera de especies en múltiples casos aislados a lo largo del tiempo, creando diferentes cepas infecciosas humanas que circulan en nuestras poblaciones , por ejemplo, H1N1 , H5N1 y H7N9 . Estos eventos de cambio de huésped crean cepas pandémicas que eventualmente se transforman en la gripe estacional que circula anualmente en la población humana durante los meses más fríos.

Los virus de la influenza A (IAV) se clasifican según dos proteínas características. Estas proteínas están presentes en todas las cepas virales de la influenza, pero pequeñas diferencias permiten diferenciar nuevas cepas. Estos identificadores son:

Los virus de la influenza A (IAV) existen naturalmente en aves silvestres sin causar enfermedad ni síntomas. Estas aves, especialmente las aves acuáticas y costeras, son el huésped reservorio de la mayoría de los IAV con estos antígenos de proteína HA y NA . [ 11 ] Desde estos animales, el virus se propaga a otras especies (por ejemplo, cerdos, humanos, perros [ 10 ] ) creando infecciones a menor escala hasta que el virus ha adquirido mutaciones significativas para propagarse y mantenerse en otra especie. La enzima ARN polimerasa de la influenza tiene un nivel bajo de precisión debido a la falta de un mecanismo de corrección de pruebas y, por lo tanto, tiene una alta tasa de error en términos de replicación genética . [ 10 ] Debido a esto, la influenza tiene la capacidad de mutar frecuentemente dependiendo de las presiones de selección actuales y tiene la capacidad de adaptarse para sobrevivir en diferentes especies huésped.

Métodos de transmisión e infección

Al comparar los virus de la influenza aviar ( IAV) en aves y humanos, una de las principales barreras para el cambio de huésped es el tipo de células que el virus puede reconocer y a las que puede unirse ( tropismo celular ) para iniciar la infección y la replicación viral. Un virus de la influenza aviar está adaptado para unirse al tracto gastrointestinal de las aves. [ 11 ] En las poblaciones de aves, el virus se elimina del sistema excretor al agua y es ingerido por otras aves para colonizar sus intestinos. Este no es el caso en los humanos, ya que la influenza, en esta especie, produce una infección respiratoria. Aquí, el virus se une al tejido respiratorio y se transmite a través de la respiración, el habla y la tos; por lo tanto, el virus tiene que adaptarse para cambiar del huésped aviar al humano. Además, el tracto respiratorio es ligeramente ácido, por lo que el virus también debe mutar para superar estas condiciones y colonizar con éxito los pulmones y tractos respiratorios de los mamíferos. Las condiciones ácidas son un desencadenante del desensamblaje viral, ya que normalmente es un signo de que el virus ha penetrado en una célula; sin embargo, el desensamblaje prematuro dará lugar a la exposición del virus al sistema inmunitario , lo que provocará su eliminación. [ 12 ]

Adaptaciones moleculares

unión al receptor del huésped

Los virus de la influenza A (IAV) se unen a las células huésped mediante la proteína HA. ​​Estas proteínas reconocen el ácido siálico que reside en las regiones terminales de las glicoproteínas externas en las membranas de las células huésped. Sin embargo, las proteínas HA tienen diferentes especificidades para los isómeros del ácido siálico dependiendo de la especie para la que se adapta el IAV. Los IAV adaptados para aves reconocen los isómeros α2-3 del ácido siálico, mientras que las HA de los IAV adaptados para humanos se unen a los isómeros α2-6. [ 10 ] Estos son los isómeros del ácido siálico que se encuentran principalmente en las regiones del huésped que cada IAV infecta respectivamente, es decir, el tracto gastrointestinal de las aves y el tracto respiratorio de los humanos. Por lo tanto, para que se produzca un cambio de huésped, la especificidad de la HA debe mutar a los receptores de sustrato del nuevo huésped.

En las etapas finales de la infección, las proteínas HA se escinden para activar el virus. [ 10 ] Ciertos subtipos de hemaglutinina (H5 y H7) tienen la capacidad de adquirir mutaciones adicionales. Estas se encuentran en el sitio de escisión de activación de la HA, lo que cambia la especificidad de la HA. ​​Esto resulta en una ampliación del rango de enzimas proteasas que pueden unirse al virus y activarlo. Por lo tanto, esto hace que el virus sea más patógeno y puede hacer que las infecciones por IAV sean más agresivas. [ 10 ]

Acción de la polimerasa

La unión exitosa a diferentes tejidos del huésped no es el único requisito para el cambio de huésped de la influenza A. El genoma de la influenza se replica utilizando la ARN polimerasa dependiente de ARN del virus , pero debe adaptarse para usar cofactores específicos del huésped para funcionar. [ 13 ] La polimerasa es un complejo heterotrimérico y consta de 3 dominios principales: PB1, PB2 y PA. Cada uno juega su propio papel en la replicación del genoma viral, pero PB2 es un factor importante en la barrera del rango de huéspedes, ya que interactúa con las proteínas de la cápside del huésped . [ 10 ] Específicamente, el residuo 627 de la unidad PB2 muestra que juega un papel definitorio en el cambio de huésped de cepas de influenza adaptadas a aves a humanos. En los IAV, el residuo en la posición 627 es ácido glutámico (E), mientras que en la influenza que infecta mamíferos, este residuo está mutado a lisina (K). [ 13 ] [ 14 ] Por lo tanto, el virus debe sufrir una mutación E627K para realizar un cambio de huésped mamífero. Esta región que rodea al residuo 627 forma un grupo que sobresale del núcleo de la enzima. Junto con la lisina, esta región de la superficie PB2 puede formar un parche básico que permite la interacción con el cofactor del huésped, mientras que el residuo de ácido glutámico presente en los virus de la influenza A (IAV) interrumpe esta región básica y las interacciones subsiguientes. [ 13 ]

cofactor del huésped

Se ha demostrado que la proteína celular ANP32A explica los niveles contrastantes de eficiencia de interacción de la influenza aviar con diferentes especies hospedadoras. [ 13 ] [ 15 ] La diferencia clave entre ANP32A es que la forma aviar contiene 33 aminoácidos adicionales en comparación con la forma de mamífero. [ 15 ] Cuando las células de mamíferos se infectan con IAV aviares, la eficiencia de la enzima polimerasa es subóptima, ya que el virus aviar no está adaptado para sobrevivir en células de mamíferos. Sin embargo, cuando esa célula de mamífero contiene la proteína ANP32A aviar, la replicación viral se restablece en gran medida, [ 15 ] lo que demuestra que es probable que ANP32A interactúe positivamente y optimice la acción de la polimerasa. Las mutaciones en PB2 que hacen que la influenza se adapte a los mamíferos permiten la interacción entre la polimerasa viral y la proteína ANP32A de mamíferos y, por lo tanto, son esenciales para el cambio de hospedador.

Resumen

Existen muchos factores que determinan el éxito del cambio de huésped del virus de la gripe, de aviar a mamífero:

  • Estabilidad en el tracto respiratorio ligeramente ácido de los mamíferos.
  • Reconocimiento del ácido siálico de los mamíferos por los receptores de HA
  • Mutación PB2 E627K en la polimerasa viral para permitir la interacción con ANP32A de mamíferos para una replicación viral óptima [ 16 ]

Cada factor desempeña un papel importante, por lo que el virus debe adquirirlos todos para poder cambiar de huésped. Este es un proceso complejo que requiere tiempo para que el virus se adapte y mute adecuadamente. Una vez que se han producido todas las mutaciones, el virus puede infectar a poblaciones humanas y tiene el potencial de alcanzar niveles pandémicos. Sin embargo, esto depende de la virulencia y la tasa de transmisión, y el cambio de huésped modificará estos parámetros de la infección viral.

VIH

El VIH es el virus de la inmunodeficiencia humana y ataca las células del sistema inmunitario, debilitando las defensas del organismo contra los patógenos. En particular, el VIH infecta los linfocitos T cooperadores CD4 + , células implicadas en la organización y coordinación de la respuesta inmunitaria. Esto significa que el organismo puede reconocer los patógenos, pero no puede activar sus defensas contra ellos. [ 17 ] Cuando el VIH debilita suficientemente el sistema inmunitario, provoca una afección conocida como síndrome de inmunodeficiencia adquirida o SIDA, caracterizada por una pérdida de peso severa, fiebre, ganglios linfáticos inflamados y susceptibilidad a otras infecciones graves. [ 18 ]

El VIH es un tipo de lentivirus del cual se conocen dos tipos que causan SIDA: VIH-1 y VIH-2 , [ 17 ] [ 19 ] ambos saltaron a la población humana a partir de numerosos eventos de transmisión entre especies por la enfermedad equivalente en primates conocida como virus de inmunodeficiencia símica (VIS) . Los VIS se encuentran en muchas especies de primates diferentes, incluidos chimpancés y mandriles que se encuentran en el África subsahariana, y en su mayoría son en gran medida no patógenos [ 19 ] VIH-1 y VIH-2 tienen características similares pero son antigénicamente diferentes y por lo tanto se clasifican como diferentes tipos de VIH. [ 19 ] La mayoría de los eventos de transmisión no tienen éxito en cambiar su huésped, sin embargo, en el contexto del VIH-1, surgieron cuatro formas distintas categorizadas como grupos M, N, O y P de los cuales el grupo M está asociado con el VIH-1 pandémico y representa la mayoría de los casos globales. Se propone que cada tipo surgió a través de la caza de animales silvestres y la exposición a los fluidos corporales de primates infectados, [ 19 ] incluyendo la sangre.

Adaptaciones específicas del huésped

Gag-30

Las presiones de selección específicas del huésped provocarían un cambio en el proteoma viral de los VIH para adaptarse al nuevo huésped y, por lo tanto, estas regiones no se conservarían en comparación con los SIV. Mediante estas comparaciones proteómicas virales, se identificó que la proteína de la matriz viral Gag-30 tenía aminoácidos diferentes en la posición 30. Este aminoácido se conserva como metionina en los SIV, pero muta a arginina o lisina en los grupos M, N y O del VIH-1, [ 19 ] [ 20 ] lo que sugiere una fuerte presión de selección en el nuevo huésped. Esta observación fue respaldada por otros datos, incluido el hecho de que esta mutación se revirtió cuando el VIH-1 se usó para infectar primates, lo que significa que la arginina o lisina se convirtió de nuevo en la metionina observada originalmente en los SIV. [ 20 ] Esto refuerza la idea de la fuerte presión de selección específica del huésped, opuesta, entre humanos y primates. Además, se observó que los virus que contenían metionina se replicaban de manera más eficiente en primates y los virus que contenían arginina/lisina en humanos. [ 20 ] Esto evidencia la razón detrás de la mutación (niveles óptimos de replicación en linfocitos T CD4 + del huésped ); sin embargo, se desconoce la función y acción exactas del aminoácido en la posición 30.

Las proteínas Nef y Vpu interactúan con diferentes regiones de la proteína tetherina. Las proteínas Nef del SIV interactúan con el dominio citoplasmático debido a la presencia de los 33 aminoácidos adicionales que se encuentran en los primates. Sin embargo, estos aminoácidos adicionales no están presentes en la proteína tetherina humana, por lo que en el VIH, la proteína Vpu interactúa con el dominio transmembrana conservado de la proteína tetherina.
Contramedidas de Tetherin

La tetherina es una proteína de defensa en la respuesta inmune innata cuya producción se activa por el interferón . La tetherina inhibe específicamente la capacidad infecciosa del VIH-1 al bloquear su liberación de las células que infecta. [ 21 ] Esto impide que el virus salga para infectar más células y detiene la progresión de la infección, dando tiempo a las defensas del huésped para destruir las células infectadas por el virus. Los virus adaptados tienden a tener contramedidas para defenderse contra la tetherina, normalmente mediante la degradación a través de regiones específicas de la proteína. Estas técnicas anti-tetherina difieren entre los SIV y el VIH-1, lo que demuestra que la interacción con la tetherina es una restricción del rango de huéspedes que debe superarse para permitir el cambio de huésped de primate a humano. Los SIV utilizan la proteína Nef para eliminar la tetherina de la membrana celular, mientras que el VIH-1 utiliza la proteína Vpu para degradar la proteína de defensa. [ 19 ]

La tetherina es un mecanismo de defensa antiviral conservado entre especies, pero su secuencia y estructura exactas presentan algunas diferencias. Las regiones que componen la tetherina incluyen la región citoplasmática, la región transmembrana, un dominio extracelular en espiral y un anclaje GPI ; [ 19 ] sin embargo, la tetherina humana difiere de la de otros primates al presentar una deleción en la región citoplasmática. [ 22 ] Este dominio citoplasmático incompleto hace que las proteínas Nef presentes en los SIV sean ineficaces como respuesta anti-tetherina en humanos, por lo que, para pasar de primates no humanos a un huésped humano, el SIV debe activar la proteína Vpu, que bloquea la tetherina mediante la interacción con la región transmembrana conservada. [ 22 ]

Resumen

Los dos factores que intervienen en la barrera del rango de huéspedes para los virus SIV frente al VIH son:

  • Proteína Gag-30, específicamente el aminoácido en la posición 30.
  • El uso de las proteínas Nef o Vpu como defensa antitetherin

Solo un virus SIV que contenga mutaciones en la proteína Gag-30 y la adquisición de la proteína antitetherina Vpu podrá transmitirse de primates a humanos y convertirse en VIH. Esta adaptación evolutiva permite al virus adquirir niveles óptimos de actividad de la polimerasa en células humanas infectadas y la capacidad de evitar su destrucción por la proteína tetherina.

Referencias

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