Ensamblaje del virus del chikungunya

La tomografía computarizada permite explorar el interior de nuestro cuerpo con gran detalle y así identificar daños, anomalías o tumores que pueden afectar nuestra salud. La técnica consiste en tomar una serie de radiografías por capas y en diferentes ángulos. Lo mismo se puede hacer con un microscopio electrónico. En este caso lo que obtendremos son imágenes detalladas de virus, bacterias, estructuras celulares, etc. Pero el trabajo se debe realizar a temperaturas extremadamente bajas (criogénicas) para reducir al mínimo el movimiento frenético de las moléculas que se da a esa escala.

Esquema de cómo funciona la criotomografía electrónica. Fuente: Wikipedia.

Utilizando esta técnica, un grupo de investigadores estadounidenses revelaron la forma cómo se ensambla el virus del chikungunya, un alfavirus que causa serias complicaciones atritogénicas (en las articulaciones) en los seres humanos.

Las imágenes muestran todo el proceso de ensamblaje viral, desde la replicación de su ARN (en la esférula de replicación) hasta la liberación de los virus por gemación. Se observa con detalle la formación de la nucleocápside, una estructura que contiene todo su material genético, la cual se acopla con la membrana celular que está recubierta por las proteínas "Spike" del virus.

Las flechas rojas muestran al virus del chikungunya emergiendo de la célula humana. En azul se observa la esférula de replicación que es donde se produce el ARN viral el cual es depositado dentro de las cápsides (color lila) para formar la nucleocápside. Chmielewski, et al. (2022).

Proceso de gemación. En rojo la nucleocápside viral. En amarillo las proteínas Spike que cubren la superficie del virus. Chmielewski, et al. (2022).

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La proteína ‘Spike’ de la variante ómicron

La tercera ola en el Perú ha superado con creces el número de infectados de las dos anteriores juntas. Más que una ola nos topamos con una pared. La responsable es la variante ómicron que fue reportada por primera vez en Sudáfrica hace solo dos meses. El número fallecidos aumenta, pero no en la misma proporción al número de infectados gracias a las vacunas. Solo miren las gráficas publicadas por Rodrigo Parra en su Twitter. Pero no nos confiemos, el número de hospitalizados (incluyendo niños) y pacientes en UCI aumentan y están cerca de saturar nuestro precario sistema de salud.

¿En qué radica el éxito de la variante ómicron? Un estudio publicado en Science muestra, con lujo de detalles, los cambios que ha sufrido la proteína ‘Spike’ —la que usa el SARS-CoV-2 para infectar las células humanas a través del receptor ACE2— gracias a las mutaciones que ha adquirido. Los investigadores emplearon la criomicroscopía electrónica. Esta técnica permite analizar la estructura tridimensional de las proteínas y componentes celulares.

En realidad la proteína ‘Spike’ está formada por tres proteínas idénticas o protómeros (imagen A en color morado). Técnicamente es un homotrímero. Además, cada proteína tiene dos partes o subunidades: la S1, que es la que se une al receptor ACE2 de las células humanas, y la S2, que es la que permite la fusión del virus con la célula humana para infectarla. La unión entre el receptor ACE2 (en color celeste en las imágenes A y B) y la proteína ‘Spike’ se da en un lugar particular de la S1 conocida como dominio RBD (imagen B).

La variante ómicron presenta 37 mutaciones en la proteína ‘Spike’. Una mutación es un cambio en la secuencia genética que codifica cada uno de los aminoácidos que conforman una proteína. El cambio de un solo aminoácido puede modificar la estructura de la proteína, su interacción con otras proteínas o componentes celulares o inactivarlas. Cuando esto ocurre, el virus puede perder su capacidad de infectar y desaparece. A veces una mutación pasa desapercibida porque no cambia ningún aminoácido o lo hace por otro que tiene las mismas propiedades fisicoquímicas. Pero ocurren casos en que estas mutaciones le dan una ventaja al virus. 

Los científicos observaron que 15 de las 37 mutaciones se hallaban en el dominio RBD, el cual es clave para la infección del virus y que es el objetivo de los anticuerpos neutralizantes (que bloquean su interacción con el receptor ACE2) generados por las vacunas. 

La interacción entre dos proteínas (como ‘Spike’ y ACE2) es compleja. Se basa en fuerzas electrostáticas (como la de los imanes) que se pegan o repelen de acuerdo con las cargas de los aminoácidos. El cambio de un aminoácido por otro puede modificar la estructura de la proteína (incluso ligeramente), afectando su interacción con otras. Imaginen 15 modificaciones solo en el dominio RBD. 

Lo que mostraron los análisis de criomicroscopía electrónica fue que, si bien habían cambios que afectaban la eficiencia de la interacción de ‘Spike’ y ACE2, habían otros que la restituían, evitando que ómicron pierda su capacidad de infectar las células humanas. Es decir, algunas de estas mutaciones, por sí solas, serían perjudiciales para el virus, pero cuando actúan en conjunto le confieren ventajas. En este caso, también les permite evadir mejor los anticuerpos neutralizantes. Esta es la razón de por qué tantas personas, incluyendo vacunados, se están infectando.

Lo que falta saber es ¿cómo surgió esta variante? Los científicos piensan que este virus pudo haber surgido en una persona con el sistema inmunológico comprometido (como un paciente de VIH, cáncer o transplante). El virus vivió de forma prolongada en esta persona, multiplicándose y generando nuevas mutaciones. Un laboratorio viviente. Esto también explicaría por qué no provoca síntomas tan fuertes como otras variantes. De haberlo hecho, su hospedero carente de defensas hubiera muerto.

Mientras hayan personas no vacunadas, muchas por falta de acceso (como en los países africanos) y otras por creer en las teorías de los antivacunas, el virus seguirá teniendo chances de evolucionar y generar nuevas variantes. No dejemos a la suerte la aparición de un “nuevo ómicron”, pero más peligroso.

Referencia e imágenes:

Mannar, D., et al. (2022). SARS-CoV-2 Omicron variant: Antibody evasion and cryo-EM structure of spike protein–ACE2 complex. Science. DOI 10.1126/science.abn7760

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Desaparece linaje de gripe por la COVID-19

Las medidas aplicadas para frenar la transmisión de la COVID-19 —como la distancia social y el uso de mascarillas— también permitió reducir los casos de gripe o influenza. Esta enfermedad respiratoria también es causada por virus, que se pueden agrupar en cuatro tipos: A, B, C y D. Los dos primeros son de importancia para la salud pública. Por ello, la vacuna tetravalente ha sido diseñada para brindar protección contra dos subtipos de gripe A (H1N1 y H3N2) y dos linajes de gripe B (Victoria y Yamagata).

Con la reducción de casos de gripe, el virus tiene menos posibilidades de adquirir mutaciones ventajosas y evolucionar. Además, las variantes menos frecuentes tienden a desaparecer al reducir sus chances de encontrar nuevos hospederos. Esto impacta enormemente en su diversidad genética, tal como se ha visto durante la pandemia.

Reducción de la diversidad genética de los virus de la gripe. Fuente: Koutsakos et al. (2021).

Las infecciones provocadas por los virus del tipo B son responsables de la cuarta parte de los casos anuales de gripe. Sin embargo, a diferencia de los virus del tipo A, no se conoce un reservorio animal: solo se transmite entre humanos. Esto constituye una desventaja para el virus porque, si no puede conseguir nuevos hospederos, se extingue. Y esto es lo que pudo haber ocurrido con el linaje B/Yamagata.

De acuerdo con un reporte publicado esta semana en Nature Reviews Microbiology desde marzo de 2020 no se han aislado ni secuenciado virus del linaje B/Yamagata. Lo que no se sabe es si realmente este linaje se ha extinguido o simplemente está "escondido" porque los virus del tipo B suelen entrar en un estado de dormancia durante largos periodos de tiempo. Se requiere un muestreo y la secuenciación más exhaustivo para poder distinguir con certeza entre la falta de detección y la verdadera extinción.

Número de secuencias depositadas en GISAID de los cuatro subtipos de virus de la gripe. Fuente: Koutsakos et al. (2021).

La posible extinción del linaje B/Yamagata abre la posibilidad de aumentar el número de dosis disponibles de vacunas para su distribución mundial al pasar de una vacuna tetravalente a una trivalente. También se podría mejorar el nivel de protección de la vacuna tetravalente al incluir otro subclado de la gripe A(H3N2) que difiere sustancialmente del subclado empleado en las vacunas actuales, aunque requeriría de ensayos clínicos adicionales.

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Virus protectores de orugas

Las larvas de lepidópteros —grupo taxonómico al que pertenecen las polillas y mariposas— no tienen una vida fácil. Por un lado, son infectadas por virus que controlan sus movimientos y las disuelven desde su interior; y, por otro, son usados como nidos y alimento de larvas de avispas parasitoides. Es cierto que algunas son plagas de diversos cultivos y no merecen nuestra mayor consideración, como es el caso del gusano cogollero (Spodoptera frugiperda); pero otras se convierten en bellas mariposas que cumplen roles importantes en el ecosistema. 

Esta competencia entre virus y avispas parasitoides por someter a las pobres orugas generó un interesante proceso evolutivo que fue descrito en un reciente estudio publicado en Science. Las orugas infectadas por ciertos tipos de virus producían unas proteínas conocidas como factores de muerte de parasitoides (PKF, por sus siglas en inglés), que son tóxicas para las larvas de las avispas que se desarrollan en su interior. Es decir, las orugas se vuelven resistentes a sus avispas parasitoides.

Las PKF ya eran conocidas hace varias décadas, pero no se sabía de dónde procedían. Al analizar los genes que las codifican observaron que estaban presentes en diferentes grupos de virus, como los baculovirus, ascovirus y entomopoxvirus; y también en el genoma de algunos lepidópteros. Esto indicaba que hubo una transferencia de genes entre los virus y los insectos. Es decir, eran "transgénicos naturales". De esta forma, las orugas podrían resistir el ataque de las avispas parasitoides sin la necesidad de estar infectadas por los virus, lo que explicaría por qué algunas plagas adquieren resistencia a sus controladores biológicos.

Árbol filogenético de las secuencias de los PKF. Fuente: Gasmi et al. (2021).

Pero la historia no termina aquí. Resulta que hay avispas parasitoides como la Meteorus pulchricornis que, al poner sus huevecillos en las orugas, les transmiten un ascovirus que inactiva el efecto tóxico de las PKF. De esta manera, sus larvas pueden sobrevivir dentro de su hospedero que en teoría es resistente. Sin embargo, aún no está claro por qué algunos virus tienen los genes para las PKF y otros no. Tampoco se sabe si todas las PKF funcionan de la misma manera o si hay otros genes que juegan un papel protector similar.

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Virus contra los tumores

En lo más recóndito de nuestro cuerpo, una célula empieza a multiplicarse sin control. Nada parece detenerla. El gen p53 —que regula la proliferación celular— dejó de funcionar debido a una mutación. Una masa inquebrantable de células anormales empieza a formarse. Aparece un tumor. Nuestro sistema inmune no lo reconoce como una amenaza. Algunas de las células malignas escapan hacia el torrente sanguíneo, colonizando nuevos tejidos. Se ha iniciado la metástasis. 

Los tumores tienen sus propios vasos sanguíneos que los alimentan y proveen de oxígeno. A medida que crecen, destruyen los tejidos circundantes afectando el funcionamiento de los órganos vecinos. Recién en ese momento las personas sienten que algo anda mal. Aparecen unos extraños dolores o molestias en el cuerpo que muchas veces no se les da mayor importancia. Grave error. Con el tiempo los dolores se hacen cada vez más fuertes. Ningún medicamento parece aliviarlos. Recién se programa la visita al médico quien ordena unas radiografías y tomografías. Una semana después, unos pequeños puntos luminosos resaltan sobre la placa fotográfica. ¡Están diseminados por nuestro cuerpo!

—Siento informarle que usted tiene cáncer en una etapa muy avanzada —dice el médico—. Los tumores se han diseminado por el cuerpo. Tal vez la quimioterapia le de algunos meses más de vida.

Quimioterapia. Fuente: Wikimedia Commons.

Los fármacos empleados en la quimioterapia atacan principalmente a las células que se multiplican rápidamente. Esta es una característica típica de las células cancerosas, pero también de las células del tejido intestinal, las del cabello y la sangre. Ellas también son víctimas inocentes de esta guerra química. Los efectos secundarios varían entre un paciente y otro, aunque el común denominador es la pérdida de cabello, peso y apetito, los vómitos y el cansancio.

***

Esta pandemia nos ha mostrado que los virus pueden ser nuestros peores enemigos. No solo causan la muerte de personas inocentes, sino también afectan la economía de los países, generan inestabilidad política y social, y otros problemas que tardarán varios años en solucionarse.

Los virus suelen ser muy específicos a la hora de actuar. No infectan cualquier célula sino que dependen de las señales químicas que estén presentes en su superficie. Una vez que reconocen su objetivo, el material genético del virus (ADN o ARN) entra en la célula. Puede integrarse al genoma del huésped y permanecer latente por varias generaciones. Cuando se activa, utiliza las propias moléculas de su anfitrión para multiplicarse. Las células se convierten en fábricas de virus, los cuales se acumulan hasta que la membrana celular no soporta la presión y explota. La peligrosa carga se libera y los nuevos virus infectan otras células. Así se reinicia todo el ciclo.

Los científicos estiman que entre el 65% y 70% de las células cancerosas son insensibles a las respuestas mediadas por los interferones, unas moléculas producidas por nuestro sistema inmunológico que interfieren con la infección y replicación de los virus. Se sabe que los interferones no permiten el crecimiento de nuevos vasos sanguíneos (inhiben la angiogénesis), detienen el ciclo celular y activan la muerte celular programada (apoptosis); cosas que las células cancerosas tratan de evitar a toda costa. Por esta razón, los cambios fisiológicos y metabólicos que se producen en los tumores favorecen la infección y replicación de los virus.

Si consideramos que existen virus que pueden presentar una afinidad innata por las células cancerosas (llamados virus oncolíticos); uno de nuestros peores enemigos naturales podrían convertirse en nuestros mejores aliados en la lucha contra el cáncer.

Microfotografía del virus del herpes. Fuente: Wikimedia Commons.

Infección de tumores

Algunos tipos de tumores sólidos producen grandes cantidades de una molécula llamada Necl-5, que es reconocida por un tipo de poliovirus. En 2011, un grupo de investigadores del Centro Médico de la Universidad de Duke demostraron que un poliovirus genéticamente modificado llamado PVSRIPO podía acabar con los glioblastomas (un tipo de tumor cerebral) en el laboratorio. Entre 2012 y 2017 se probó en seres humanos y demostró aumentar la tasa de supervivencia de los pacientes.

En 2014, una mujer se curó de un cáncer incurable usando una megadosis de un virus del sarampión genéticamente modificado. Este virus tiene una fuerte afinidad por una molécula llamada CD46 que se expresa en grandes cantidades en los mielomas múltiples (un tipo de cáncer de médula ósea).

Para entender cómo funciona este mecanismo, imaginemos a CD46 y Necl-5 como si fueran cerraduras presentes en las “puertas de acceso” a las células cancerosas. Los virus codifican en su genoma una única "llave" que se expresa en su superficie (como la proteína "Spike" del coronavirus). Por ello, deben buscar la puerta adecuada que podrían abrir. El poliovirus tiene la llave para la puerta Necl-5 y el virus del sarampión para la puerta CD46. Una vez que ingresan (infectan) a las células cancerosas, hacen lo que mejor saben hacer: secuestrar a la célula y convertirla en una fábrica de virus. Y gracias a la ingeniería genética, los científicos pueden otorgarles otras "llaves" para que puedan ingresar a otros tipos de células cancerosas.

Virus del Herpes 6 ingresando a una célula a través del reconocimiento del antígeno CD46. Similar a lo que hace el virus del sarampión. Fuente: Tang & Mori, 2010.

¿Cómo evitar que los virus afecten células sanas?

Los virus oncolíticos diseñados para invadir tumores también podrían infectar células sanas, ya que estas producen —aunque en menores cantidades— las cerraduras para las llaves que poseen los virus.

Una estrategia empleada por las células para evitar que los virus proliferen dentro de ellas es apagar la maquinaria responsable de producir las proteínas virales: los ribosomas. Usan una molécula llamada PKR para inactivar el factor de iniciación de la traducción eIF2 y así los ribosomas dejen de funcionar. Algunos virus como el HSV-1 son capaces de bloquear la acción de PKR para que la traducción de proteínas no se detenga.

Sin embargo, las células cancerosas también necesitan que los ribosomas trabajen al 100% para producir todas las proteínas necesarias para formar los tumores, por lo que buscan diferentes mecanismos para mantener activo y en grandes cantidades el eIF2. Una de ellas es bloqueando la acción de una molécula similar a PKR llamada TOR kinasa.

Se pueden diseñar virus oncolíticos incapaces de bloquear la PKR. De esta manera, cuando infecten una célula cancerosa no tendrán problemas para replicarse porque la producción de proteínas no se habrá detenido. Sin embargo, cuando infecten una célula sana no podrán hacerlo porque no tendrán la forma de activar la eIF2 para que los ribosomas funcionen adecuadamente.

El siguiente gráfico muestra seis mecanismos clave que usan las células tumorales que podrían ser usadas como blanco por los virus oncolíticos:

Virus oncolíticos diseñados para crecer en el nicho de los tumores. Fuente: Ilkow, et al., 2014

Los virus pueden ser nuestros mejores aliados para atacar diversos tipos de tumores. Cada virus tiene su particularidad y es específico para un determinado tipo de células. Mediante el uso de la ingeniería genética los podemos volver más específicos hacia las células cancerosas y menos virulentos o inocuos para las células sanas. De esta manera, se reducen los riesgos de infección o efectos secundarios no deseados.

Referencia:

Ilkow CS, Swift SL, Bell JC, Diallo J-S (2014) From Scourge to Cure: Tumour-Selective Viral Pathogenesis as a New Strategy against Cancer. PLoS Pathog 10(1): e1003836. doi: 10.1371/journal.ppat.1003836

Artículo publicado originalmente el 21 de mayo de 2014 en Expresión Genética del diario El Comercio.

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Reconstruyendo un sistema nervioso, neurona por neurona

Caenorhabditis elegans, C. elegans de cariño, es un pequeño gusano —nemátodo— transparente de tan solo un milímetro de largo. Es uno de los organismos más estudiados por los científicos que se conoce el número exacto de células que tiene en su fase adulta: 959, de las cuales 302 son neuronas.

Caenorhabditis elegans. Fuente: Wikimedia Commons.

Las neuronas son las células que conforman el sistema nervioso de los animales. Su función es transmitir impulsos a través de señales eléctricas a otras células del cuerpo para generar una determinada acción (movimiento, contracción muscular o secreción glandular) en respuesta a un estímulo (luz, temperatura, cantidad de alimentos, amenazas, feromonas, etc.). Su particular morfología le permite comunicarse con una o más neuronas a la vez (sinapsis), a través de largas distancias y formando intrincadas redes.

Los neurocientíficos vienen desarrollando un mapa de toda la red neuronal de nuestro cerebro para poder entender qué es lo que nos hace únicos: nuestra conciencia, sentimientos y pensamientos. Además, este mapa permitirá ubicar las regiones que fallan en personas con diversos trastornos, desórdenes y disfunciones cerebrales y de comportamiento, como la esquizofrenia o el autismo. La iniciativa que engloba todo este esfuerzo se llama el Proyecto del Conectoma Humano y es impulsado por el Instituto Nacional de Salud de los Estados Unidos.

Los humanos no seremos los primeros en contar con un mapa de todo el cableado de nuestra red neuronal (también conocido como conectoma). Este privilegio lo tiene el nemátodo que abrió esta nota: C. elegans.

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Sydney Brenner nació en 1927 en Germiston, Sudáfrica. A la edad de 15 años ingresó a la Universidad de Witwatersrand en Johannesburgo para estudiar medicina. Su tío le regaló un microscopio como premio a su esfuerzo. Fue aquí donde inició su contacto con la verdadera ciencia. Al año siguiente se matriculó en los cursos de fisiología y anatomía y se dio cuenta que su interés estaba volcado hacia el estudio de la célula y sus funciones. 

Cuando terminó la carrera todavía era muy joven para practicar la medicina. Se matriculó en cursos de anatomía y fisiología. Aprendió mucho de fisicoquímica, microscopía y neurología. Fue invitado por el profesor de histología Joseph Gillman para continuar con sus investigaciones. A los 22 sustentaba su tesis y obtenía su máster. Dos años después obtiene su licencia de médico (por poco no lo hace por dedicarse a la investigación científica). 

Fue admitido como estudiante de doctorado en la Universidad de Oxford. Después de años viajando por Estados Unidos y abrir un laboratorio en su universidad en Sudáfrica, Brenner obtuvo una plaza en la Universidad de Cambridge en 1956 y compartió oficina por 20 años con Francis Crick, codescubridor de la estructura del ADN. Fue en este momento donde empezó sus estudios con C. elegans.

Sydney Brenner. Fuente: MRC Laboratory of Molecular Biology.

Debido a su simplicidad (pequeño y con poco número de células) y complejidad (tenía muchas de las estructuras que tienen los animales más complejos), C. elegans se convirtió en el organismo favorito de los científicos para todo tipo de estudios: biología celular, genética, fisiología, neurobiología, etc. Por ejemplo, le podían "apagar" genes específicos para ver qué ocurría con el organismo. Incluso le hicieron un seguimiento a cada una de sus 959 células —desde que era un huevecillo hasta su fase adulta— para determinar el linaje de cada una de ellas. Esto lo hizo John Sulston en 1983 y ganó el Premio Nobel por ello en 2002. Sin embargo, Brenner tenía otra idea en mente: determinar el "cableado" de las 302 neuronas de C. elegans para entender su comportamiento y recrearlo artificialmente.

En 1974 puso en marcha su idea. Haciendo gala de sus años en el laboratorio de histología durante su maestría, rebanó como si fuera una jamonada a los pequeños nematodos. Con ayuda de un microscopio electrónico, le tomó una fotografía a cada una de las tajadas para poder identificar la posición exacta de todas las neuronas. En total se capturaron cerca de 20 mil fotos y el análisis de todas ellas recayó en las manos de John G. White, que en ese entonces investigaba en el laboratorio de Brenner.

El trabajo tomó más de una década. En noviembre de 1986, Brenner, White y otros colaboradores publican sus resultados en un artículo de más de 300 páginas en la revista Philosophical Transactions of The Royal Society B.

Reconstrucción en 3D del conectoma de C. elegans. Los nodos son neuronas y los cables son los axones que los conectan con otras neuronas y con las células musculares. Fuente: Scientific American.

A pesar de ubicar cada neurona y sus conexiones con otras dentro del sistema nervioso de C. elegans, éste resultó ser demasiado complejo para recrearlo artificialmente, tal como lo quería hacer Brenner. Es aquí donde entra en juego la Dra. Cornelia 'Cori' Bragmann.

En 1987, Cori empezó a trabajar en el laboratorio del Dr. Robert Horvitz del MIT, otro de los grandes expertos en C. elegans y ganador del Nobel junto a Brenner y Sulston años después. Durante sus investigaciones, Cori observó que el nemátodo extrañamente se veía atraído por determinados compuestos químicos en el agua y nadaba hacia él (quimiotaxis). Este comportamiento era desconocido. Le propuso al Dr. Horvitz identificar cuál de las 302 neuronas de C. elegans era la responsable, utilizando los mapas elaborados por Brenner y White.

El trabajo no era tan complicado. Solo tenía ubicar y quemar cada una de las 302 neuronas —con ayuda de un microscopio y un rayo láser muy potente— y luego ver si había inhibición de la quimiotaxis. Sin embargo, lo primero que descubrió fue la neurona responsable de la hibernación de nemátodo. 

Le tomó meses de trabajo encontrar la neurona responsable de rastrear el sabor de los compuestos químicos disueltos en el agua. Sin esa neurona, el comportamiento cesaba completamente. Hasta se podía matar a las otras 301 neuronas restantes y la quimiotaxis funcionaba. Cori descubrió tantas cosas que el Dr. Horvits le dijo alguna vez que su gran fortaleza como científica se debía a que ella podía pensar como un gusano.

Diversos investigadores en el mundo describieron la función de cada una de las neuronas de C. elegans. Hoy contamos con un mapa muy detallado y en tres dimensiones de toda la red neuronal de este pequeño gusano.

La tecnología avanza y las técnicas que usó Brenner se han perfeccionado y automatizado. En 2012, investigadores del Departamento de Genética del Albert Einstein College of Medicine, liderados por el Dr. Scott Emmons, construyeron el conectoma de un C. elegans macho que tiene 81 neuronas más que el C. elegans hermafrodita. El trabajo solo es tomó tres años. Como curiosidad, sólo el 0.05% de los C. elegans son machos. El resto son hermafroditas, por eso han sido los más estudiados.

Ahora podemos ver a cada neurona de C. elegans en pleno funcionamiento. Podemos identificar en tiempo real las neuronas que se activan ante un determinado estímulo, según un estudio publicado en 2014 en Nature Methods.

Si tomamos en cuenta los diez años que le tomó a Brenner construir el conectoma de C. elegans (con 302 neuronas) o los tres años que le tomó a Emmons hacer lo propio con el macho de 383 neuronas, ¿cuánto nos tomaría hacer lo mismo con las 86 mil millones de neuronas y billones de conexiones neuronales del cerebro humano?

Referencias:

Nature News, Scientific American & The New York Times.

Artículo publicado originalmente el 19 de mayo de 2020 en Expresión Genética del diario El Comercio.

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¿Virus contra la tuberculosis?

No sólo los humanos sufrimos de enfermedades causadas por virus. Las bacterias también son infectadas por estos diminutos organismos que se encuentran en el limbo entre lo vivo y lo inerte. Los virus que atacan a las bacterias se llaman bacteriófagos (o simplemente fagos). Son las formas de vida más abundantes del planeta con una población estimada en diez billones de trillones (10³¹) de individuos. Un número muy superior a la cantidad de estrellas que hay en el universo.

‘Selfies’ de diferentes tipos de fagos. Fuente: Atamer, Z. et al (2013).

Los fagos son tan abundantes que, si hiciéramos una fila con ellos, esta mediría 100 millones de años luz. La fila de fagos sería suficiente como para cubrir la distancia entre nuestro planeta y la galaxia Andrómeda (a 2.5 millones de años luz), unas 20 veces ida y vuelta.

Los fagos actúan de forma similar a los virus humanos. Primero, reconocen específicamente a la bacteria que van a infectar. Se posan sobre su superficie tal como lo haría una sonda espacial aterrizando en un planeta. Inyectan su material genético (ADN o ARN) dentro de la bacteria, para infiltrarse en su genoma (profago). Puede permanecer como polizonte por muchas generaciones, diseminándose silenciosamente entre todos los descendientes de las bacterias infectadas. Una condición de estrés despierta al profago de su letargo y convierte a la bacteria en una fábrica de fagos. Finalmente, el hospedero no soporta la presión y explota liberando millones de fagos quienes buscarán a nuevas víctimas para reiniciar su ciclo de vida.

¿Se dieron cuenta? Podríamos usar a los fagos para infectar y exterminar bacterias que nos provocan graves enfermedades, como la tuberculosis (TBC). Esta enfermedad es causada por la bacteria Mycobacterium tuberculosis y en el Perú es un grave problema de salud pública debido al alto número de casos de TBC multidrogo-resistente (TBC-MDR) y TBC extremadamente drogo-resistente (TBC-XDR).

Mycobacterium tuberculosis. Fuente: CropWatch.

La TBC se cura mediante un largo tratamiento con cuatro antibióticos comunes. Hay casos en los que estos antibióticos no funcionan debido a que el paciente no cumplió con el tratamiento (se sintió mejor y dejó de usarlos) o la dosis no fue la adecuada. Esto provoca que las bacterias que sobrevivieron al ataque químico inadecuado se reproduzcan y generen una TBC resistente a estos antibióticos. Esta es la TBC-MDR. 

Para tratar la TBC-MDR se requiere de otros antibióticos más potentes y costosos, con peores efectos secundarios y con un tratamiento más prolongado. Hay casos en que las bacterias sobreviven a este ataque más potente. Prácticamente, se vuelven invencibles a nuestras más poderosas armas químicas. Aquí estamos frente a la TBC-XDR. En este caso, sólo una tercera parte de los pacientes sobrevive, donde el único tratamiento es extraer la porción del pulmón afectado.

El uso de fagos para el control de infecciones no es algo nuevo. A inicios del siglo XX ya eran utilizados para curar heridas y disenterías. En la década de 1930, el Instituto Pasteur y otras empresas farmacéuticas producían preparados de fagos para el tratamiento de distintas enfermedades. Pero fue el descubrimiento y comercialización de los primeros antibióticos como la penicilina en 1941 que la terapia con fagos fue dejada de lado.

La aparición de nuevas bacterias infecciosas resistentes a nuestros mejores antibióticos ha provocado que, en la actualidad, el uso de los fagos esté tomando importancia. Además, los grandes avances en la ingeniería genética permitirían modificarlos para volverlos más efectivos.

Para el caso de la TBC, lo primero es encontrar fagos que infecten específicamente a este bacilo. Se han identificado miles de micobacteriófagos, pero muy pocos son específicos de M. tuberculosis. Además estos fagos no son buenos asesinos.

Otra dificultad es que las bacterias se encuentran "protegidas" por las propias células de nuestro organismo dificultando el acceso del fago. Los macrófagos —un tipo de células de nuestro sistema inmune— las devoran pero no pueden digerirlas. Las bacterias permanecen vivas en su interior y empiezan a multiplicarse. Más células inmunes van a ayudar pero no pueden eliminar la infección, por el contrario, se aglutinan formando una masa esférica de células llamado granuloma.

Sin embargo, los fagos podrían usarse como un profiláctico (para prevenir infecciones). Si a una persona le diagnostican TBC, sus familiares y compañeros de trabajo pueden aspirar fagos específicos de M. tuberculosis. De esta manera, cada vez que las bacterias ingresen a los pulmones de las personas sanas, haya un contingente de fagos que las eliminen antes de que inicien la infección.

Referencia:

Hatfull GF (2014) Mycobacteriophages: Windows into Tuberculosis. PLoS Pathog 10(3): e1003953. doi: 10.1371/journal.ppat.1003953

 

Artículo publicado originalmente el 19 de abril de 2014 en Expresión Genética del Diario El Comercio.

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Los huevos verdes

[Artículo publicado originalmente el 16 de abril de 2014 en Expresión Genética del diario El Comercio]

No me refiero a los de Shrek ni los de Hulk...

Hace unos años visité la localidad de Huancapallac, en el departamento de Huánuco, y participé del Muhu Raymi (Fiesta de las Semillas). En esta feria, agricultores de diferentes lugares del país exhiben su gran agrobiodiversidad. Mientras paseaba por los puestos de cada uno de ellos, vi algo que llamó mi atención: huevos de color verde.

Si bien los huevos pueden adquirir diferentes colores, dependiendo de la especie a la que correspondan, todos los huevos de gallina que encontramos en los mercados son blancos o morenos (color piel). Sin embargo, al menos tres razas de gallinas ponen huevos verdes y azulados: la Araucana de Chile y los Dongxiang y Lushi de China. Esta coloración se debe a un pigmento llamado biliverdina.

La biliverdina se genera a partir de la degradación de la hemoglobina —molécula que da el característico color rojo a la sangre y que transporta el oxígeno a cada una de nuestras células.

Todos hemos visto los colores que producen estas moléculas en nuestro cuerpo. Cuando te das un fuerte golpe en la pierna o el brazo, los capilares que se encuentran debajo de la piel se rompen y la sangre se libera tomando una coloración rojiza (hematoma). Los glóbulos rojos liberan la hemoglobina que, ante la falta de oxígeno, cambian de color a morado (el famoso "moretón"). Unos días después, la hemoglobina se degrada formando biliverdina y posteriormente bilirrubina, adquiriendo así una coloración verdosa y luego amarillenta.

Esto no quiere decir que los huevos son verdes porque sufren golpes antes de ser aovados. Lo que ocurre en el vientre de las gallinas es algo mucho más interesante.

A inicios del 2013, un grupo de investigadores chinos liderados por el Dr. Changxin Wu descubrieron un gen llamado SLCO1B3 expresándose en el útero de las gallinas que ponían huevos azulados. Normalmente, este gen se encuentra activo en el hígado de los vertebrados y es responsable de producir una proteína que se encarga de transportar los componentes de la bilis —entre ellos, la biliverdina— desde el hígado hacia los conductos biliares.

Al producirse esta proteína transportadora en el útero de las gallinas, la biliverdina —que también forma parte de la bilis de las aves— la utiliza para alcanzar los huevos y así teñirles de verde o azul. ¿Fin del misterio? Pues, no. Aún queda una interrogante más: ¿Por qué hay razas de gallinas que expresan el gen SLCO1B3 en el útero y otras no?

Al analizar en profundidad la región del genoma donde se halla el gen SLCO1B3, Wu y su equipo descubrieron que solo las gallinas que ponían huevos azulados tenían infiltrado una porción de ADN de un virus aviar llamado EAV-HP, que funcionaba como un interruptor genético, permitiendo activar la expresión de la proteína transportadora donde no debería: en el útero.

Huevos azules, blancos y morenos. Fuente: Wang et al. (2013)

En conclusión, los huevos verdes y azulados son producidos por gallinas que expresan una proteína transportadora de biliverdina en el útero gracias a la presencia de un interruptor genético proveniente de un virus.

Referencia:

Wang Z, Qu L, Yao J, et al. An EAV-HP insertion in 5' Flanking region of SLCO1B3 causes blue eggshell in the chicken. PLoS Genet. 2013;9(1):e1003183. doi: 10.1371/journal.pgen.1003183

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Pruebas rápidas y moleculares para COVID-19

Desde que se anunció la adquisición de más de un millón de "pruebas rápidas" para detectar personas con COVID-19, a fines de marzo, estuvieron en el ojo de la tormenta. Diversos científicos se manifestaron a favor o en contra de ellas, tanto en televisión como en redes sociales. El público general también tomó posición, más basada en simpatías políticas que en ciencia. Aquí les hago un resumen para entender de qué va todo esto.

Definamos conceptos

"Pruebas moleculares" es un nombre genérico empleado para referirnos a los análisis basados en ácidos nucleicos, que puede ser de ADN o ARN. Por ejemplo, una prueba de paternidad es una prueba molecular. Se analiza el ADN del presunto padre y del hijo(a), para ver si comparten los mismos marcadores genéticos (fragmentos de ADN que son heredados). En el caso del coronavirus (SARS-CoV-2), la prueba molecular detecta marcadores genéticos en su ARN (otra molécula que también puede codificar la información genética).

La prueba molecular para el COVID-19 se realiza a través de la reacción en cadena de la polimerasa con transcriptasa reversa o RT-PCR. Primero se debe extraer el ARN del SARS-CoV-2, que puede estar presente en una muestra de hisopado nasofaringeo (nariz y garganta). Luego el ARN se convierte en ADN a través de la enzima transcriptasa inversa, para que la ADN polimerasa realice una amplificación (o "fotocopiado") de los marcadores genéticos del virus en un equipo llamado termociclador. Finalmente, el ADN amplificado es detectado a medida que aumenta su concentración (en tiempo real). El proceso puede tomar unas cuatro horas.

RT-PCR. Fuente: BBC News.

Las "pruebas rápidas", por su parte, son análisis que permiten obtener resultados inmediatos (digamos, en unos 15 minutos). Pueden existir pruebas rápidas moleculares. Por ejemplo, el equipo ID NOW™ de Abbott detecta marcadores genéticos del SARS-CoV-2 en menos de 10 minutos. Sin embargo, cuando escuchen a nuestras autoridades hablar de "prueba rápida", se refieren a las pruebas serológicas. Usan los términos de manera indistinta cuando no necesariamente es así.

Las pruebas serológicas son análisis basados en el suero sanguíneo (que puede ser separado previamente de la sangre). Se detectan los anticuerpos producidos por una persona como respuesta a una infección. En el caso del COVID-19, se analiza si hay anticuerpos tempranos (IgM) o tardíos (IgG) contra el SARS-CoV-2.

Las pruebas serológicas no son necesariamente pruebas rápidas. Por ejemplo, un análisis de ELISA —un tipo de prueba serológica— puede tardar hasta dos horas en mostrar los resultados (no muy rápido que digamos). Sin embargo, existen pruebas serológicas basadas en inmunocromatografía (básicamente, hacer que una muestra acuosa migre a través de una cinta de papel u otro dispositivo) que dan resultados muy rápidos. A estas últimas son a las que se refieren como "pruebas rápidas".

Resultados de las pruebas rápidas serológicas IgM/IgG para COVID-19. Fuente: CliniSciences.

En resumen: una prueba molecular también puede ser una prueba rápida si da resultados en pocos minutos. Una prueba serológica no necesariamente es una prueba rápida.

¿Cuándo se usan cada una de ellas?

Supongamos que hoy lunes vas a la farmacia. La persona que está delante de ti en la cola, que casualmente tiene COVID-19 —pero no lo sabe (asintomático)— y lleva una mascarilla casera de tela —que no protege— tose justo al momento de pagar, impregnando de miles de virus el billete de diez soles que tenía en la mano. Para tu mala suerte, recibes ese billete de vuelto. Lo guardas en el bolsillo y, sin darte cuenta, bajas la mascarilla y te metes el dedo en la nariz para rascarte. Te infectas. A las pocas horas, el SARS-CoV-2 ya invadió varias células de tu epidermis nasal. Se multiplica e infecta otras células vecinas, llegando a la faringe y, luego, a los pulmones.

Si el martes (un día después de la infección) te hubieran tomado el hisopado (bien hecho) y te hacían la prueba molecular, el resultado hubiera dado POSITIVO (aunque lo más probable es que tu resultado lo sabrías después del viernes). Sin embargo, si te hubieran tomado una muestra de sangre y te hacían la prueba serológica, el resultado hubiera dado NEGATIVO. Todavía no produces los anticuerpos. Lo cierto es que no te hicieron la prueba ya que, al no tener síntomas, no te preocupas y sigues con tu vida como si nada (dentro de lo que se puede).

Llega el sábado (cinco días después de la infección) y amaneces con fiebre y tos seca. Te alarmas porque sabes que son los síntomas del COVID-19. Llamas al 113 para informar tu caso. Si tienes mucha suerte, ese mismo día recibes la visita del personal de salud. Primero te hacen la prueba serológica. El resultado es NEGATIVO. De acuerdo con diversos estudios, los anticuerpos se vuelven detectables de cinco a siete días después de la aparición de síntomas, es decir, a partir del siguiente jueves. Sin embargo, al ver tus síntomas, te hacen el hisopado para la prueba molecular (que saldrá POSITIVO, pero no lo sabrás hasta la siguiente semana). Te recomiendan aislamiento en casa y evitar contacto con familiares. Como pueden ver, la prueba serológica no tiene utilidad hasta unos diez días después de la infección.

Niveles de ARN y antígenos del SARS-CoV-2 y anticuerpos contra estos. Fuente: Diazyme.

ACTUALIZACIÓN (27/04/2020; 12:15): Mi colega y especialista en inmunología, Obert Marín, indica que la producción de las inmunoglobulinas M (IgM, mostradas en línea verde) es constitutiva, es decir, se secretan todo el tiempo. Sus niveles pueden caer a niveles que no pueden ser detectados por las pruebas serológicas, pero no desaparecen como indica en la gráfica superior.

Si no tuvieras tanta suerte (como ocurre con la mayoría), tu llamada al 113 del sábado recién será atendida por el personal de salud el siguiente jueves (diez días después de la infección). Te hacen la prueba serológica y el resultado da POSITIVO para IgM (los primeros anticuerpos en producirse). Eres un caso confirmado de COVID-19. Si tienes más de 60 años, probablemente ya tengas problemas para respirar y necesites internamiento en el hospital. Cruzas los dedos para que haya cama.

En este último caso, ya no necesitas la prueba molecular: tienes los síntomas y diste positivo a la prueba serológica. Si solo hubieran pruebas moleculares, recién sabrías tu resultado la siguiente semana. Muy tarde, tal vez. No obstante, tan importante como la prueba molecular o serológica, es el cuadro clínico del paciente. Si tienes los síntomas de COVID-19, te deben tratar como un paciente para COVID-19 hasta que se demuestre lo contrario, así no tengas los resultados de las pruebas correspondientes.

Evitar nuevos contagios

Regresemos al caso anterior. Si te contagiaste el lunes y recién te diste cuenta el sábado (por los síntomas), es probable que entre el martes y viernes hayas contagiado a más personas: tus familiares que viven en casa, algún vecino del edificio que presionó el mismo botón del ascensor que tú presionaste después de meterte el dedo en la nariz, o algún policía que te pidió tu DNI al verte caminar por la calle paseando a tu perro. A los días que pasan entre el contagio y la aparición de síntomas se llama periodo ventana.

La única forma de saber si una persona está en el periodo ventana es solo la prueba molecular. Por ello, es importante detectar estos casos a tiempo para confinarlos antes que contagien a más personas. Esto solo es posible si se cuenta con una estrategia de muestreo. Los primeros a los que se les debe aplicar la prueba molecular es a quienes están en contacto con muchas personas (sanos e infectados). Por ejemplo, el personal de salud, los policías y militares, los comerciantes de mercados, los taxistas autorizados, el personal de bancos, farmacias y centros de abasto.

La prueba serológica también tiene una utilidad en esta tarea. Debido a su bajo costo, portabilidad y facilidad de uso, puede trasladarse a diferentes lugares. Por ejemplo, se pueden instalar puestos de análisis en parques o en centros poblados alejados, donde la muestra para la prueba molecular tardaría mucho en llegar al laboratorio (a veces, en malas condiciones que las hacen inservibles). Se podría analizar a muchas personas en poco tiempo. Si la prueba da positivo, se podría tratar de una persona con una infección activa (con síntomas graves, leves o asintomática y con capacidad de contagiar) o alguien que tuvo la infección en el pasado (tal vez sin darse cuenta) pero que ya no contagia.

Estos datos de infecciones pasadas podrían ayudar a identificar zonas donde el SARS-CoV-2 estuvo —y puede seguir— presente. De esta manera, se podrían focalizar las zonas donde hacer las pruebas moleculares para seguir identificando casos en periodo ventana. La idea es ubicar y acorralar al virus antes que se disemine. Recordemos que no estamos atrapados aquí con el coronavirus, sino es el coronavirus quien está atrapado aquí con nosotros.

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Secuencian el genoma del paiche sin participación peruana

Si viajas por la selva peruana, no puedes dejar de degustar el paiche, ya sea a la parrilla, en chicharrón o en cebiche. Este pez —que puede llegar a medir tres metros de largo y pesar más de 200 Kg— se ha convertido en una especie de gran importancia económica para la región amazónica. Pero no es su gran tamaño lo que atrae a los acuicultores, sino su tasa de crecimiento (unos 10 Kg por año) y su tasa de conversión alimenticia (por cada 1000 gramos de alimento gana 700 gramos de peso).

Paiche. Fuente: Flickr.

El paiche (Arapaima gigas) es una especie muy particular. Sus branquias no son completamente funcionales, por lo que requieren salir a la superficie cada cierto tiempo a respirar. Aunque eso no es un problema. Lo que verdaderamente provoca dolores de cabeza a los acuicultores es saber cuál es macho y cuál es hembra. Hasta hace una década, la única forma de diferenciarlos era solo cuando se emparejaban porque el macho se ve de un color más rojizo. Hoy en día ya se cuenta con un kit para determinar el sexo de los paiches en tres horas, aunque tiene sus limitantes: requiere tomar muestras de sangre y el pez debe alcanzar la madurez sexual.

El precio de la secuenciación de genomas ha bajado considerablemente en los últimos años. Cuando se publicó el genoma humano, en el año 2003, costó 3000 millones de dólares. Hoy empresas como BGI cobran menos de 1000 dólares. Por ello, cada día se publican las secuencias genéticas completas de muchas especies, especialmente, de aquellas que son de importancia económica.

Un reciente estudio publicado en Scientific Reports, desarrollado por un grupo internacional de investigadores (ninguno peruano pero sí brasileños), presentaron los genomas completos de dos paiches, uno macho y una hembra, con el fin no solo conocer a fondo los aspectos biológicos de esta especie, sino determinar las diferencias genéticas que hay entre ambos y así desarrollar herramientas moleculares más precisas para determinar el sexo.

El genoma del paiche tiene 665 millones de pares de base (pb) —la quinta parte de lo que mide el genoma humano— y se han podido identificar algunos marcadores que podrían servir para el sexaje de los paiches en cualquier momento de su vida. Además se identificaron genes relacionados con su rápido crecimiento, su gran tamaño, la adaptación a una dieta carnívora y la composición de la sustancia que libera de su órgano secretor ubicado en la cabeza, que explicaría por qué los machos se involucran más en el cuidado de las crías.

Tal vez se pregunten ¿por qué es el Perú no secuenciamos lo genomas de nuestras especies emblemáticas? El tema de los costos ya no es un problema ni una excusa como lo era antes. Incluso hay instituciones nacionales que cuentan con secuenciadores de última generación. El problema podría radicar en dos puntos.

Primero, no contamos con muchos expertos en bioinformática trabajando en el país, pues no basta con conocer la secuencia de ADN de un organismo, sino en analizar su significado biológico. Ya ha pasado más de una década desde que se secuenció el genoma de la papa y el Perú tuvo a su cargo uno de sus doce cromosomas. Sin embargo, a la fecha no hemos aprovechado de toda esa información genética generada. No hay perspectivas de desarrollo de variedades con tolerancia a sequía, resistencia a la rancha o mayor rendimiento utilizando la secuencia genómica de la papa disponible en el GenBank.

Segundo, no se tiene en claro las regulaciones asociadas con los recursos genéticos. Se desconoce que todo el material genético que tiene un valor real o potencial (recurso genético) es un recurso natural y, por tanto, es patrimonio de la nación. Por lo tanto, su utilización y aprovechamiento comercial debe ser autorizado y, los beneficios que genere, adecuadamente distribuidos, ya sea con las poblaciones que proveen el recurso genético o con el Estado. De esta manera se evita un uso inadecuado (biopiratería) o que otros países se aprovechen de ello (por ejemplo, generando patentes) sin retribuir de alguna manera al país donde se dio origen.

Para los investigadores, los procedimientos administrativos les resultan sumamente engorrosos y, en la medida de lo posible, tratan de evitarlos. En otros países, como Brasil, estos procedimientos son más claros y los investigadores reciben capacitaciones para llenar los formularios y solicitudes adecuadamente. Por ello, resulta más fácil secuenciar el genoma de una especie —como el paiche— en esos países que aquí, y serán ellos los que aprovechen mejor los beneficios generen estas investigaciones.

No obstante, nada nos imposibilita de utilizar la información genética generada una vez esté disponible en el GenBank.

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Más detalles sobre los bebés genéticamente modificados

A todos nos agarró frío el anuncio que hizo He Jiankui a inicios de semana. Se trata del nacimiento de unas mellizas cuyos genes fueron modificados usando la tecnología CRISPR/Cas9. El miércoles pasado, en la II Cumbre Internacional sobre Edición del Genoma Humano, He presentó mayores detalles de su controversial estudio.

A través de su cuenta de Twitter, el bioquímico estadounidense Sean Ryder (@RyderLab) escribió un hilo donde analiza los datos presentados por el investigador chino en su conferencia (dado que todavía no ha sido publicado en una revista científica) y estos resultan verdaderamente alarmantes. Para explicarlo, empezaremos desde lo más básico...

El VIH, CCR5 y CRISPR/Cas9

El VIH es un retrovirus que infecta y destruye los linfocitos T CD4+ de la sangre, responsables de coordinar la respuesta inmunológica de nuestro cuerpo. Nos volvemos incapaces de defendernos de cualquier organismo invasor que hasta el más inofensivo podría resultar mortal para nosotros. Para infiltrarse, el VIH se vale de la proteína CCR5 que se expresa en la superficie de los mencionados linfocitos.

Entrada del VIH en un linfocito T CD4+ mediante el correceptor CCR5. Imagen: US National Institutes of Health.

En Europa y el oeste de Asia, la décima parte de la población posee una variante del gen ccr5 cuya secuencia carece de una porción de ADN de 32 nucleótidos. Esta mutación conocida como delta-32 (Δ32) genera una versión incompleta de la proteína CCR5 que ya no puede ser reconocida por el VIH. Es decir, el virus ya no puede infectarlas.

Lo que hizo He Jiankui fue utilizar una herramienta molecular capaz de reconocer secuencias específicas de ADN dentro de genoma de un ser vivo para cortarlo y editarlo de manera precisa. Es como usar la función buscar y reemplazar del MS Word. La herramienta se llama CRISPR/Cas9 que utiliza una molécula de ARN como guía, cuya secuencia es complementaria a la porción de ADN del gen ccr5 que se quiere quitar.

Versiones de CCR5 generadas

El Dr. Ryder elaboró una imagen que muestra la secuencia del gen ccr5 sin modificar y su correspondiente secuencia de aminoácidos, la versión Δ32 del gen ccr5 y las versiones del gen ccr5 presentes en las mellizas "Lulu" y "Nana". PAM representa el lugar que usa CRIPSR/Cas9 para anclarse al ADN y realizar la edición del gen.

Imagen elaborada por @RyderLab.

Recordando un poco de biología del colegio, cada aminoácido de una proteína está codificado por una secuencia de tres nucleótidos. La arginina (R) por AGA, serina (S) por TCT, glutamina (Q) por CAA, etc. Si a la versión Δ32 del gen ccr5 le falta 32 nucleótidos, entonces a la proteína resultante le falatará 10,67 aminoácidos. Pero como no existe tal cosa como 0,67 aminoácidos, lo que provocará es un cambio en la forma cómo se leerán los nucleótidos posteriores (cambio en el marco de lectura). Todo se correrá dos nucleótidos. Como resultado no solo tendremos una proteína CCR5 más pequeña, sino también con una secuencia diferente y, por lo tanto, una estructura tridimensional deforme. Esto evita que sea reconocida por el VIH e infecte los linfocitos T CD4+.

De acuerdo a lo presentado por He Jiankui, "Lulu" presentaba una supresión de 15 nucleótidos en una de las copias del gen ccr5 mientras que la otra copia permanecía sin cambios. Quince nucleótidos pueden parecer muchos pero tan solo son cinco aminoácidos menos en una proteína que tiene 352. En otras palabras, si bien la proteína CCR5 de "Lulu" está incompleta, se parece mucho a la versión normal. ¿Será suficiente para evitar que la niña adquiera la enfermedad más adelante? De acuerdo con el investigador chino, es "probable" que sí.

En el caso de "Nana" se generaron dos versiones del gen ccr5: una con cuatro nucleótidos menos y otra con un nucleótido adicional. En ambos casos hay cambios en el marco de lectura. La primera versión (Nana "-4") generará una proteína CCR5 más corta que la versión Δ32, incluyendo nueve aminoácidos completamente diferentes. La segunda versión (Nana "+1") genera una proteína similar a la Δ32 pero con once aminoácidos nuevos adicionales.

Imagen elaborada por @RyderLab.

De acuerdo con el Dr. Ryder, ninguna de estas dos nuevas variantes de la proteína CCR5 producidas por "Nana" han sido obtenidas y analizadas previamente, por lo que se desconocen sus efectos. "Esto es lo que realmente me molesta. Las niñas son conejillos de indias para variantes proteicas que no han sido examinadas en animales", comenta. A parte que no había ningún fundamento médico para realizar estos experimentos, tampoco se contaba con la certeza de que estas modificaciones genéticas realmente funcionarían para el fin propuesto.

Otro aspecto que aún no parece haber sido aclarado es el mosaicismo que se pudo haber generado en las niñas. Es decir, que no todas sus células cuenten con las mismas modificaciones genéticas. Es probable que algunas cuenten con las versiones normales del gen, otras con una de las variantes y otras con las dos variantes juntas.

No hay dudas que la tecnología CRISPR/Cas9 tiene un enorme potencial para mejorar la calidad de vida de las personas. Pero por ahora los riesgos son demasiado grandes debido a su falta de precisión y control. Y esto se debe a que recién llevamos seis años utilizándola para editar los genomas. Poco a poco los científicos van encontrando la forma de volver esta técnica 100% segura, hasta eso, no deberíamos aplicarla en embriones viables o líneas germinales (óvulos y espermatozoides).

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¿El virus del Herpes provocaría el Alzheimer?

Si alguna vez te apareció una enorme ampolla en el labio que al cabo de una semana cicatrizó formando una costra... felicidades, tienes herpes. No te preocupes ni te avergüences, casi la mitad de la población mundial lo tiene. La mayoría se infecta con el tipo 1 (HSV-1) de niño, a través del contacto oral, por ejemplo, los besos de los familiares. Pero también hay otras cepas que se transmiten de formas similares.

Virus del herpes. Fuente: Pixinio.

La característica de estos virus es que pueden infectar las células nerviosas y cerebrales e integrar su ADN al nuestro, por lo que nos acompañará para toda la vida. El HSV-1, por ejemplo, se puede reactivar de vez en cuando, provocando las ampollas labiales. Sin embargo, las otras cepas pueden pasar desapercibidas. Esto no quiere decir que sean inocuas ya que, de acuerdo con un reciente estudio publicado en Neuron, investigadores estadounidenses hallaron abundante presencia de las cepas HHV-6A y HHV-7 en el tejido cerebral de personas que padecieron Alzheimer.

La posible relación entre el virus del herpes y la enfermedad de Alzheimer fue descubierta hace más de treinta años. Y a pesar de la reticencia de ciertos investigadores a aceptar que la causa de esta enfermedad neurodegenerativa podría ser un agente infeccioso, las evidencias están apuntando a ello. Esto ha provocado que empiecen a probarse ciertos antivirales para prevenir o tratar el Alzheimer.

En el presente estudio, investigadores de la Escuela de Medicina Icahn en Mount Sinai analizaron el tejido cerebral de 944 cadáveres, de los cuales 622 murieron padeciendo la enfermedad de Alzheimer. Su objetivo era identificar qué genes se expresaban de manera diferencial entre los cerebros sanos y enfermos para así desarrollar nuevos tratamientos contra este mal. Pero, se llevaron una gran sorpresa al identificar una mayor presencia de HHV-6A y HHV-7 en las regiones del cerebro donde había una mayor muerte de neuronas, incluyendo el hipocampo. Los mismos resultados fueron obtenidos al analizar los datos de otros bancos cerebrales de diferentes partes del mundo.

Cabe la posibilidad que la presencia de los virus del herpes sea una consecuencia de la enfermedad. Es decir, el tejido dañado por el Alzheimer sea más susceptible a ser infectado por los virus. Sin embargo, los investigadores también descubrieron que varios genes involucrados con el desarrollo del Alzheimer interactuaban con los virus del herpes en el cerebro, específicamente, los que generan la proteína precursora amiloide (APP).

Para algunos investigadores, no basta con que los virus estén presentes en el cerebro para que la persona padezca de Alzheimer. Si así fuera, miles de millones tendrían esta enfermedad. Algo debe activarlos o simplemente, por cuestiones del azar, el virus se integra en regiones del genoma donde interactúa de mejor manera con los genes involucrados con el desarrollo del Alzheimer.

Este y otros estudios nos muestra qua cada vez hay mayores evidencias de que muchos agentes infecciosos están directamente relacionados con el desarrollo de ciertas enfermedades, incluyendo diversos tipos de cáncer. Comprender mejor el rol que juegan en nuestro organismo y como pueden modular la expresión de nuestros genes nos permitirá desarrollar mejores fármacos para controlarlos.

Referencia:

Readhead et al. Neuron 99, 1–19 doi: 10.1016/j.neuron.2018.05.023 (2018)

Vía | STAT.

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Somos consecuencia de la endosimbiosis

La teoría más importante acerca del origen de las células que conforman los hongos, plantas y animales (células eucariotas) es que son resultado de una endosimbiosis.

En una simbiosis, dos o más organismos de diferentes especies interactúan de tal manera que los dos se ven beneficiados. Una endosimbiosis será lo mismo, pero donde una especie habita dentro de la otra. Así que, tanto las mitocondrias (el componente que produce energía) como el cloroplasto (el componente responsable de la fotosíntesis de las plantas) podrían tener un origen endosimbiótico.

Célula eucariota donde se aprecia el núcleo celular, las mitocondrias y los cloroplastos. Fuente.

Los cloroplastos pudieron haber sido un organismo primitivo con capacidad de generar sus propios nutrientes usando la luz como fuente de energía, y las mitocondrias un organismo primitivo capaz de generar grandes cantidades de energía a través de un gradiente electroquímico.

Los endosimbiontes han transformado dramáticamente la arquitectura y metabolismo de sus anfitriones, proporcionándoles nuevos genes, proteínas, moléculas señalizadoras y moduladoras de la expresión de esos y otros genes (factores de transcripción), vías metabólicas y compartimientos celulares con funciones especializadas. Esto no hubiera sido posible a través de otras fuerzas evolutivas como mutaciones y transferencia de genes.

Hoy en día, la endosimbiosis se sigue dando y a varios niveles. Ciertos insectos, como los pulgones o áfidos, tienen una bacteria endosimbionte llamada Buchnera, que a su vez posee una γ-proteobacteria como endosimbionte. Ambas producen moléculas importantes para el desarrollo de su hospedero. Es como una muñeca rusa.

También hay casos como el consorcio fototrófico Chlorochromatium aggregatum que cuenta con dos partes: una β-proteobacteria móvil y heterotrófica rodeada por unas sesenta bacterias verde del azufre fotosintéticas donde ambos se benefician. La bacteria móvil se encarga de trasladar a sus compañeros simbiontes a zonas ricas en azufre y luz, mientras que estas últimas le dan un hábitat libre de oxígeno que favorece el crecimiento del primero. Se dice que este consorcio está cerca de ser una relación endosimbiótica porque comparten el espacio y las moléculas presentes entre las membranas celulares de ambos microorganismos.

Muchos tienen una imagen de la evolución que se refleja un árbol: del tronco (un ancestro común de todos los seres vivos) salen ramas principales (los ancestros comunes de todas las bacteria, arqueas, hongos, protistas, plantas y animales) y de ahí secundarias (especies que hoy en día habitan). Sin embargo, cuando hablamos de endosimbiosis se forman anillos evolutivos, donde dos especies diferentes convergen en una.

Todos los procariotas están categorizados en cinco grandes grupos: las arqueas (donde encontramos a los organismos más extremos de la tierra), los bacilos y clostridios (ambos con bajo porcentaje de guanina y citosina en su ADN), las actinobacterias (alto porcentaje de guanina y citosina, que incluye a muchos de los patógenos humanos) y las bacterias de doble membrana o Gram negativas (el grupo más diverso). De acuerdo a una investigación liderada por el Dr. James Lake de la Universidad de California Los Ángeles, donde se analizó el genoma de docenas de microorganismos, se observó que las bacterias Gram negativas pudieron haber tenido un origen endosimbionte entre los clostridios y las actinobacterias. 

La simbiosis, incluyendo la endosimbiosis, no ocurrió en una sola generación. Se desarrolló a través de largos periodos de tiempo donde compañeros simbiontes evolucionaron, se adaptaron e intercambiaron material genético a través de los mecanismos de transferencia genética gracias a su proximidad física. Aún no se sabe cuánto tiempo tomó para desarrollarse una célula eucariota o las bacterias gram negativas por endosimbiosis, pero ha sido la responsable de la gran diversidad de organismos vivos que habitan sobre la tierra.

Una consecuencia de la posible endosimbiosis entre las actinobacterias y clostridios fueron las cianobacterias, que fueron las responsables de la producción del oxígeno y cambiar la atmósfera primitiva de la Tierra, teniendo un profundo impacto en la evolución de la vida. Nosotros somos el resultado de este proceso.

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