Conmutador de host - Host switch
En parasitología y epidemiología , un cambio de anfitrión (o cambio de anfitrión ) es un cambio evolutivo de la especificidad del anfitrión 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 pasó a los humanos a principios del siglo XX.
Todas las especies simbióticas , como parásitos, patógenos y mutualistas , exhiben un cierto grado de especificidad del hospedador. Esto significa que los patógenos están altamente adaptados para infectar a un huésped específico, en términos de unión al receptor, contramedidas para los factores de restricción del huésped y métodos de transmisión, entre otros. Ocurren en el cuerpo (o en la superficie del cuerpo) de una única especie hospedadora o, más a menudo, en un conjunto limitado de especies hospedadoras. En el último caso, las especies hospedadoras adecuadas tienden a estar relacionadas taxonómicamente, compartiendo morfología y fisiología similares.
La especiación es la creación de una especie nueva y distinta a través de la evolución, por lo que existen diferencias únicas entre toda la vida en la tierra. No hace falta decir que los perros y las aves son clases de animales muy diferentes; por un lado, los perros tienen abrigos de piel y las aves tienen plumas y alas. Por lo tanto, sabemos que su composición biológica fundamental es tan diferente como su apariencia física, esto va desde sus mecanismos celulares internos hasta su respuesta a la infección, por lo que los patógenos específicos de la especie deben superar múltiples barreras de rango de hospedadores para que su nuevo hospedador apoye a su infección.
Tipos de cambio de host
Estudios recientes han propuesto discriminar entre dos tipos diferentes de cambio evolutivo en la especificidad del hospedador.
Según este punto de vista, el cambio de hospedador puede ser una colonización repentina y accidental de una nueva especie hospedadora por unos pocos individuos parásitos capaces de establecer allí una población nueva y viable. Después de un cambio de este tipo, la nueva población queda más o menos aislada de la población de la especie huésped donante. La nueva población no afecta el destino posterior de los parásitos conespecíficos en el huésped donante y, finalmente, puede conducir a la especiación del parásito. Es más probable que este tipo de cambio se dirija a una población de huéspedes en aumento 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 de múltiples hospedadores, el cambio de hospedador puede ocurrir como un cambio gradual del papel relativo de una especie hospedadora, que se convierte en hospedador primario en lugar de secundario. El antiguo anfitrión primario se convierte lentamente en un anfitrión secundario, o incluso, eventualmente, puede ser abandonado por completo. Este proceso es más lento y predecible y no aumenta la diversidad de parásitos. Por lo general, ocurrirá en una población hospedante que se reduce y alberga una fauna de parásitos / patógenos que es relativamente rica para el tamaño de la población hospedante.
Funciones de conmutación de host
Motivo de los eventos de cambio de host
Todas las enfermedades tienen un origen. Algunas enfermedades circulan en poblaciones humanas y ya son conocidas por los epidemiólogos, pero la evolución de la enfermedad puede resultar en el surgimiento de una nueva cepa de esta enfermedad que la hace más fuerte, por ejemplo, la tuberculosis multirresistente . En otros casos, se pueden descubrir enfermedades que no se han observado o estudiado previamente. Estos pueden surgir debido a eventos de cambio de host que permiten que el patógeno evolucione para adaptarse a los humanos y solo se descubren debido a un brote de infección.
Un patógeno que cambia de huésped surge como una nueva forma del virus capaz de circular dentro de una nueva población. Las enfermedades que surgen en este sentido pueden ocurrir con mayor frecuencia a través de la sobreexposición humana a la vida silvestre. Esto puede deberse a la urbanización , la deforestación , la destrucción de los hábitats de vida silvestre y los cambios en las prácticas agrícolas . Cuanta más exposición tienen los seres humanos a la naturaleza, más infecciones se propagan y los patógenos están expuestos a presiones de selección específicas de los seres humanos . Por lo tanto, el patógeno se ve impulsado hacia una adaptación específica específica y es más probable que obtenga las mutaciones necesarias para saltar la barrera de las especies y convertirse en infeccioso para los humanos.
Cambio de host y patogenicidad
El problema con las enfermedades que surgen en nuevas especies es que la población huésped será inmunológicamente ingenua. Esto significa que el huésped nunca ha estado expuesto previamente al patógeno y no tiene anticuerpos preexistentes ni protección contra la infección. Esto hace que el cambio de host sea peligroso y puede provocar más infecciones patógenas. El patógeno no está adaptado para sobrevivir en este nuevo huésped y este desequilibrio de la historia coevolutiva puede resultar en infecciones agresivas. Sin embargo, este equilibrio debe controlarse para que el patógeno mantenga su infección en el nuevo huésped y no queme a la población.
Etapas del cambio de host
Un patógeno que experimenta un cambio de hospedador es impulsado por presiones de selección para adquirir los cambios necesarios que permitan la supervivencia y transmisión en la nueva especie hospedadora. Según una revisión de microbiología y biología molecular de 2008, este proceso de cambio de host se puede definir en tres etapas:
- Infección aislada
- -Una infección aislada de un nuevo huésped sin más infección dentro de la nueva especie
- Derrames en hosts sin salida
- Derrames locales
- -Eventos de derrame que provocan pequeñas cadenas de transmisión local.
- -Transmisión epidémica sostenida del patógeno dentro de la nueva especie hospedadora
- -Propagación global de la infección de la enfermedad.
La exposición a nuevos entornos y especies hospedadoras es lo que permite que los patógenos evolucionen. Los primeros eventos de infección aislados exponen al patógeno a la presión de selección de supervivencia en esa nueva especie a la que algunos eventualmente se adaptarán. Esto da lugar a patógenos con adaptaciones primarias que permiten brotes más pequeños dentro de este nuevo huésped potencial, aumentando la exposición e impulsando una mayor evolución. Esto da lugar a una adaptación completa del hospedador y la capacidad para una epidemia mayor y el patógeno puede sobrevivir de manera sostenible en su nuevo hospedador, es decir, el cambio de hospedador. Los patógenos suficientemente adaptados también pueden alcanzar el estado de pandemia, lo que significa que la enfermedad ha infectado a todo el país o se ha extendido por todo el mundo.
Zoonosis y desbordamiento
Una zoonosis es un tipo específico de infección entre especies en la que las enfermedades se transmiten de los animales vertebrados a los humanos. Una característica importante de una enfermedad zoonótica es que se originan en reservorios animales que son esenciales para la supervivencia de patógenos zoonóticos. Existen de forma natural en las poblaciones animales de forma asintomática , o causan una enfermedad leve, lo que dificulta encontrar el huésped natural ( reservorio de la enfermedad ) y es imposible de erradicar, ya que el virus siempre seguirá viviendo en las especies de animales salvajes.
Aquellos patógenos zoonóticos que permanentemente dan el salto de animales vertebrados a poblaciones humanas han realizado un cambio de huésped y, por lo tanto, pueden continuar sobreviviendo a medida que se adaptan a la transmisión en poblaciones humanas. Sin embargo, no todas las infecciones zoonóticas completan el cambio de anfitrión y solo existen como eventos aislados más pequeños. Estos se conocen como efectos secundarios . Esto significa que los humanos pueden infectarse por un patógeno animal, pero no necesariamente se afianza 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 del cambio de host necesarias para que el patógeno sea sostenible y transmisible en el nuevo huésped.
Algunos eventos de transmisión entre especies son importantes, ya que pueden mostrar que un patógeno se está acercando al potencial epidémico / pandémico. Las pequeñas epidemias muestran que el patógeno se está adaptando más a la transmisión humana y ganando estabilidad para existir en la población humana. Sin embargo, hay algunos patógenos que no poseen esta capacidad para propagarse entre humanos. Este es el caso de los eventos secundarios como la rabia . Los seres humanos infectados por la mordedura de animales rabiosos no tienden a transmitir la enfermedad, por lo que se clasifican como huéspedes sin salida.
Puede encontrar una lista extensa de infecciones zoonóticas en Zoonosis .
Estudios de caso
Los siguientes patógenos son ejemplos de enfermedades que han cruzado la barrera de las especies hacia la población humana y destacan la complejidad del cambio.
Influenza
La influenza , también conocida como gripe, es uno de los virus más conocidos que continúa representando una gran carga para los sistemas de atención médica actuales y es la causa más común de infecciones respiratorias humanas . La influenza es un ejemplo de cómo un virus puede saltar continuamente la barrera de las especies en múltiples casos aislados a lo largo del tiempo creando diferentes cepas infectantes humanas que circulan en nuestras poblaciones, por ejemplo, H1N1 , H5N1 y H7N9 . Estos eventos de cambio de anfitrión crean cepas pandémicas que eventualmente pasan a una gripe estacional que circula anualmente en la población humana en los meses más fríos.
Los virus de la influenza A (IAV) se clasifican según dos proteínas definitorias. Estas proteínas están presentes en todas las cepas virales de la influenza, pero las pequeñas diferencias permiten la diferenciación de nuevas cepas. Estos identificadores son:
- hemaglutinina (HA)
- neuraminidasa (NA)
Los IAV existen de forma natural en las aves silvestres sin causar enfermedades ni síntomas. Estas aves, especialmente las aves acuáticas y costeras, son el hospedador reservorio de la mayoría de los IAV con estos antígenos proteicos HA y NA . De estos animales, el virus se propaga a otras especies (por ejemplo, cerdos, humanos, perros) 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 de precisión bajo 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 . Debido a esto, la influenza tiene la capacidad de mutar con frecuencia dependiendo de las presiones de selección actuales y tiene la capacidad de adaptarse para sobrevivir en diferentes especies de huéspedes.
Métodos de transmisión e infección.
Al comparar los IAV en aves y humanos, una de las principales barreras para el cambio de hospedador es el tipo de células que el virus puede reconocer y 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. En las poblaciones de aves, el virus se elimina del sistema excretor al agua y otras aves lo ingieren para colonizar sus entrañas. Este no es el caso en humanos ya que la influenza, en esta especie, produce una infección respiratoria. El virus aquí 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 al huésped humano de las poblaciones de aves. Además, el tracto respiratorio es levemente ácido, por lo que el virus también debe mutar para superar estas condiciones a fin de colonizar con éxito los pulmones y el tracto respiratorio de los mamíferos. Las condiciones ácidas son un desencadenante del desencadenamiento viral, ya que normalmente es una señal de que el virus ha penetrado en una célula, sin embargo, el desenmascaramiento prematuro resultará en la exposición del virus al sistema inmunológico que conducirá a la muerte del virus.
Adaptaciones moleculares
Unión al receptor del huésped
Los 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 la célula huésped. Sin embargo, las proteínas HA tienen diferentes especificidades para los isómeros del ácido siálico dependiendo de para qué especie está adaptado el IAV. Los IAV adaptados para aves reconocen los isómeros del ácido siálico α2-3, mientras que los IAV HA adaptados al ser humano se unen a los isómeros α2-6. 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 seres humanos. Por lo tanto, para comprometerse con un cambio de anfitrión, la especificidad de HA debe mutar a los receptores de sustrato del nuevo anfitrión.
En las etapas finales de la infección, las proteínas HA se escinden para activar el virus. Ciertos subtipos de hemaglutinina (H5 y H7) tienen la capacidad de obtener mutaciones adicionales. Estos existen en el sitio de escisión de activación de HA que cambia la especificidad de HA. Esto da como resultado una ampliación de la gama de enzimas proteasas que pueden unirse y activar el virus. Por lo tanto, esto hace que el virus sea más patógeno y puede hacer que las infecciones por IAV sean más agresivas.
Acción de la polimerasa
La unión exitosa a diferentes tejidos del hospedador no es el único requisito del cambio de hospedador para la influenza A. El genoma de la influenza se replica utilizando la ARN polimerasa dependiente del ARN del virus, pero debe adaptarse para usar cofactores específicos del hospedador para funcionar. La polyermasa 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 el PB2 es un factor importante en la barrera del rango del hospedador, ya que interactúa con las proteínas de la tapa del hospedador . Específicamente, el residuo 627 de la unidad PB2 muestra que juega un papel definitorio en el cambio del hospedador de cepas de influenza aviar a humana. En los IAV, el residuo en la posición 627 es ácido glutámico (E), mientras que en los mamíferos que infectan la influenza, este residuo está mutado a lisina (K). Por lo tanto, el virus debe sufrir una mutación E627K para realizar un cambio de hospedador de mamífero. Esta región que rodea al residuo 627 forma un grupo que sobresale del núcleo de la enzima. Con la lisina, esta región de superficie de PB2 puede formar un parche básico que permite la interacción del cofactor del huésped, mientras que el residuo de ácido glutámico que se encuentra en los IAV interrumpe esta región básica y las interacciones posteriores.
Cofactor anfitrión
Se ha demostrado que la proteína celular ANP32A explica los niveles contrastantes de la eficiencia de interacción de la influenza aviar con diferentes especies de huéspedes. La diferencia clave entre ANP32A es que la forma aviar contiene 33 aminoácidos adicionales que la forma de mamífero. Cuando las células de mamíferos se infectan con IAV aviares, la eficacia 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 aviar ANP32A, la replicación viral se restaura en su mayor parte, lo que muestra que es probable que ANP32A interactúe positivamente y optimice la acción de la polimerasa. Las mutaciones en el PB2 que hacen que la influenza se adapte a los mamíferos permiten la interacción entre la polimerasa viral y la proteína ANP32A de los mamíferos y, por lo tanto, son esenciales para el cambio de hospedador.
Resumen
Hay muchos factores que determinan un cambio exitoso de hospedador de influenza de un hospedador aviar a un mamífero:
- Estabilidad en el tracto respiratorio de mamíferos levemente ácido
- Reconocimiento del ácido siálico de mamíferos por los receptores HA
- Mutación PB2 E627K en la polimerasa viral para permitir la interacción con ANP32A de mamífero para una replicación viral óptima
Cada factor tiene un papel que desempeñar y, por lo tanto, el virus debe adquirirlos todos para someterse al cambio de host. Este es un proceso complejo y requiere tiempo para que el virus se adapte y mute lo suficiente. Una vez que se ha logrado cada mutación, el virus puede infectar 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 anfitrión cambiará estos parámetros de la infección viral.
VIH
El VIH es el virus de la inmunodeficiencia humana y ataca las células del sistema inmunológico agotando las defensas del cuerpo contra los patógenos entrantes. En particular, el VIH infecta a los linfocitos T colaboradores CD4 + , una célula involucrada en la organización y coordinación de la respuesta inmune. Esto significa que el cuerpo puede reconocer los patógenos entrantes pero no puede activar sus defensas contra ellos. Cuando el VIH disminuye suficientemente el sistema inmunológico, causa una condición conocida como síndrome de inmunodeficiencia adquirida o SIDA, caracterizada por una pérdida de peso severa, fiebre, inflamación de los ganglios linfáticos y susceptibilidad a otras infecciones graves.
El VIH es un tipo de lentivirus del cual se sabe que dos tipos causan el SIDA: VIH-1 y VIH-2 , los cuales 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 de simios. (SIV) . Los VIS se encuentran en muchas especies de primates diferentes, incluidos los chimpancés y los mandriles que se encuentran en el África subsahariana, y en su mayor parte son en gran parte VIH-1 y VIH-2 no patógenos que tienen características similares pero son antigénicamente diferentes, por lo que se clasifican como tipos diferentes. del VIH. La mayoría de los eventos de transmisión no logran cambiar de anfitrión; 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 la pandemia del VIH-1 y representa la mayoría de los casos. Casos globales. Se propone que cada tipo surgió a través de la caza de carne de animales silvestres y la exposición a los fluidos corporales de primates infectados, incluida la sangre.
Adaptaciones específicas del anfitrión
Mordaza-30
Las presiones de selección específicas del hospedador provocarían un cambio en el proteoma viral de los VIH para adaptarse al nuevo hospedador y, por lo tanto, estas regiones no se conservarían en comparación con los VIS. A través de estas comparaciones proteómicas virales, se identificó que la proteína de la matriz viral Gag-30 tiene diferentes aminoácidos en la posición 30. Este aminoácido se conserva como metionina en los VIS pero mutado a una arginina o lisina en los grupos M, N y del VIH-1. O, lo que sugiere una fuerte presión de selección en el nuevo anfitrión. Esta observación fue apoyada por otros datos, incluido el hecho de que esta mutación se invirtió cuando se usó el VIH-1 para infectar primates, lo que significa que la arginina o lisina se convirtió nuevamente en la metionina originalmente observada en los VIS. Esto refuerza la idea de la fuerte y opuesta presión de selección específica del huésped entre humanos y primates. Además, se observó que los virus que contenían metionina se replicaban más eficazmente en primates y los virus que contenían arginina / lisina en humanos. Esta es una evidencia de la razón detrás de la mutación (niveles óptimos de replicación en los linfocitos T CD4 + del huésped ), sin embargo, se desconoce la función y acción exactas del aminoácido de posición 30.
Contramedidas de Tetherin
La teterina es una proteína de defensa en la respuesta inmune innata cuya producción es la activación por el interferón . La teterina inhibe específicamente las capacidades infecciosas del VIH-1 al bloquear su liberación de las células que infecta. Esto evita 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 a través de la degradación a través de regiones específicas de la proteína. Estas técnicas anti-teterina son diferentes entre los VIS y el VIH-1, lo que muestra que la interacción con teterina es una restricción del rango de hospedadores que debe superarse para permitir un cambio de hospedador primate-humano. Los VIS utilizan la proteína Nef para eliminar la teterina de la membrana celular, mientras que el VIH-1 utiliza la proteína Vpu para degradar la proteína de defensa.
La teterina es un mecanismo de defensa viral conservado en todas las especies, pero su secuencia y estructura exactas muestran algunas diferencias. Las regiones que componen la teterina incluyen la región citoplásmica, la región transmembrana, un dominio extracelular enrollado en espiral y un anclaje GPI ; sin embargo, la teterina humana difiere de otros primates al tener una deleción en la región citoplasmática. Este dominio citoplásmico incompleto hace que las proteínas Nef que se encuentran en los SIV sean ineficaces como respuesta anti-tetherina en humanos y, por lo tanto, para cambiar de primates no humanos a un huésped humano, el SIV debe activar la proteína Vpu que, en cambio, bloquea la tetherina a través de la interacción con el región transmembrana conservada.
Resumen
Los dos factores que están involucrados en la barrera del rango de hospedadores del VIS al virus del VIH son:
- Proteína Gag-30 - específicamente el aminoácido en la posición 30
- El uso de proteínas Nef o Vpu como defensa anti-tetherina
Solo un virus VIS que contenga tanto mutaciones de la proteína Gag-30 como la adquisición de la proteína Vpu anti-tetherina podrá experimentar un cambio de hospedador de primates a humanos y convertirse en VIH. Estas adaptaciones evolutivas permiten que el virus adquiera niveles óptimos de acción de la polimerasa en células humanas infectadas y la capacidad de prevenir la destrucción del virus por la teterina.