Tras la huella del virus de la gripe

El virus de la gripe es un auténtico maestro de la transformación. En unas pocas décadas, su genoma puede evolucionar tanto como los genomas de animales lo hacen a lo largo de millones de años. Eso significa que las proteínas virales, incluyendo aquellas que alertan a nuestro cuerpo de una infección, se reinventan y amenazan constantemente a nuestro sistema inmunológico, y a los fabricantes de vacunas.


A través de los datos recogidos durante temporadas de gripe, se conoce la composición genética exacta de algunos antepasados de los virus que la provocan hoy en día. Dicha información se usa para averiguar cómo los virus se transformaron para esquivar nuestra inmunidad. Es lo que se conoce como Bioquímica Evolutiva.

Los investigadores de esta rama científica tratan de explicar la tremenda diversidad de la vida y determinar exactamente cómo surgió esa diversidad. En lugar de centrarse en cómo las plantas o los animales se adaptaron a diferentes entornos, consideran la diversidad a una escala mucho más pequeña. Su trabajo consiste en explicar cómo ese pequeño conjunto de proteínas que impulsaron las formas de vida primitivas evolucionó en los millones de proteínas especializadas que conducen todos los procesos biológicos hoy.

La Bioquímica Evolutva proporciona las pruebas más convincentes sobre la composición química de nuestros ancestros (sbkb.org).

Explorando los registros genéticos se puede llegar hasta proteínas del virus que existió en tiempos pasados y, a continuación, reconstruir la forma en que evolucionaron. Con una proteína antigua “en la mano” se puede probar cómo le afectaría cambiarle un solo aminoácido, como bien puede pasar durante la evolución, y así conocer la forma física que permitió o limitó su supervivencia.

La serie ordenada de aminoácidos en una proteína se explica por el gen que contiene la información necesaria para fabricarla. Una vez que los aminoácidos adecuados se encadenan, la proteína se pliega en pequeñas estructuras con rincones y salientes que determinarán lo que la propia proteína hará dentro de una célula. La forma plegada de una proteína determina su función, es lo que le permite, por ejemplo, conferir resistencia a un tejido o acelerar ciertas reacciones químicas.

Mutaciones en un gen pueden cambiar la forma de la proteína resultante o alterar sutilmente aspectos de su comportamiento de modo que, con el tiempo, la función de esa proteína cambie. Sin embargo, las posibilidades no son infinitas. Las proteínas que se deshacen o que fallan en el plegamiento no actúan correctamente y no sobreviven al examen de la selección natural. Pero también las mutaciones genéticas a veces remodelan una molécula sólo lo suficiente para dar una oportunidad a otras mutaciones que han fracasado antes, creando oportunidades para nuevas características y funciones que evolucionan.

Durante la evolución, el efecto de una mutación en una proteína puede depender de si otra mutación también está presente. Este fenómeno es similar al juego en el que una palabra se convierte en otra palabra diferente al cambiarle las letras de una en una, pero sujeto a la regla de que todas las palabras intermedias deben ser válidas (ver en la imagen).

Tanto en el juego de palabras como en la evolución, algunos cambios son tolerados sólo después de que se hagan otros cambios.

Del mismo modo, durante la evolución de un virus, una mutación que lo ayuda a evadir el sistema inmune humano sólo puede ser tolerada si el virus ha adquirido otra mutación de antemano. Este tipo de interacción mutacional limitaría la evolución del virus, ya que su capacidad para tomar ventaja de la segunda mutación depende de la primera mutación que ya ha ocurrido.

Volviendo al virus de la gripe, éstos poseen en su interior una nucleoproteína que desempeña un papel crucial en la replicación del material genético que provoca la infección. Estudiando las mutaciones que ha sufrido la nucleoproteína durante un período de tiempo se podría trazar los pasos más probables que ha dado para transformarse en las formas más recientes.

Representación tridimensional del virus de la gripe (dicyt.com). 

En concreto, la nucleoproteína de la cepa del virus de la gripe H3N2 sufrió hasta 39 mutaciones entre los años 1968 y 2007. Aunque la nucleoproteína todavía juega el mismo papel que en 1968, es decir, facilitar el ensamblaje del ARN viral en la célula infectada, 33 de sus 498 aminoácidos cambiaron durante esas cuatro décadas y algunos lo hicieron más de una vez.

Algunas de esas mutaciones históricas fueron malas para el propio virus, por lo que la nucleoproteína no habría podido mantenerse correctamente plegada el tiempo suficiente para hacer su trabajo. Otras afectaron partes de la proteína que son capaces de alertar a las células inmunes de una persona que un invasor está presente, ayudando probablemente a evitar la detección del virus de la gripe.

Durante el curso de la evolución de la nucleoproteína, algunas mutaciones también impulsaron su estabilidad, de manera que cuando se produjeron mutaciones posteriores, permitiendo al virus mofarse del reconocimiento inmune, estos cambios anteriores probablemente mantuvieron la estructura de forma estable para que la proteína todavía pudiera funcionar.

Nunca vamos a ser capaces de predecir la evolución, precisamente, porque es un proceso altamente estocástico. El papel del azar es tan grande que las predicciones a largo plazo de la evolución futura de cualquier proteína es una empresa muy arriesgada. Sin embargo, los estudios sobre cómo las proteínas han evolucionado ayudan a mejorar los pronósticos de qué cepas virales serán más propensas a circular en las próximas temporadas de gripe, información importante para el diseño de vacunas eficaces. En definitiva, ofrecen una visión de cómo y por qué las proteínas de hoy en día hacen lo que hacen.

Por Jesús Gil @JGilMunoz 

FUENTES

• Anderson, D.P. et al. Evolution of an ancient protein function involved in organized multicellularity in animals. eLife, 2016.
• Gong, L.I. et al. Stability-mediated epistasis constrains the evolution of an influenza protein. eLife, 2013.
• Harms, M.J. y Thornton, J.W. Evolutionary biochemistry: revealing the historical and physical causes of protein properties. Nature Reviews Genetics. Vol. 14, August 14, 2013, p. 559.
• Thyagarajan, B. y Bloom, J.D. The inherent mutational tolerance and antigenic evolvability of influenza hemagglutinin. eLife, 2014.

PARA MÁS INFORMACIÓN...

• ...sobre la gripe y los resfriados: "La batalla perdida contra el resfriado".

- Este post participa en la LXII Edición del Carnaval de la Química, alojado en el blog Huele a Química del colega Pedro Juan Llabrés.

- La imagen de portada fue extraída de sciencenews.org.