El virus

El agente causal de la pandemia de COVID-19 es el coronavirus de tipo 2 causante del síndrome respiratorio agudo severo (SARS-CoV-2, por sus siglas en inglés), descrito por primera vez en Wuhan, China en diciembre de 2019 (^{Lu et al., 2020}; ^{Zhu et al., 2020}). Existen otros dos coronavirus que son altamente patogénicos para los humanos. El coronavirus del síndrome respiratorio agudo severo (SARS-CoV, por sus siglas en inglés) fue descrito en China en el año 2002 y el Coronavirus del síndrome respiratorio de Oriente Medio (MERS-CoV, por sus siglas en inglés) fue descrito en el sur de Arabia Saudita en el 2012 (^{Cui et al., 2019}). Tanto el SARS-CoV como el SARS-CoV-2 se originaron en murciélagos en China y se adaptaron para infectar a los humanos (^{Cui et al., 2019}; ^{Cagliani et al., 2020}; ^{Lu et al., 2020}).

Los coronavirus forman viriones esféricos y están cubiertos por una membrana. El genoma es un ARN monocatenario (^{Cui et al., 2019}). Al igual que en todos los virus de ARN, en los coronavirus, fuentes de variación genética incluyen inserciones, eliminaciones, sustituciones e incluyen la recombinación de ARN. Estos ocurren de manera natural durante la replicación del ARN (^{Sanjuán y Domingo-Calap, 2016}). La variación y selección genética favorecen la acumulación de mutaciones en partes del genoma encargadas de procesos críticos, tales como la adaptación del hospedante, la transmisión de vectores, entrada a la célula y la supresión de la defensa antiviral (^{Obenauer et al., 2006}; ^{Nigam y Garcia-Ruiz, 2020}).

A nivel poblacional, la variación y la selección genética promueven la formación de nuevas cepas y especies (^{Lauring y Andino, 2010}). Este modelo apoya la emergencia del SARS-CoV y el SARS-CoV-2 en murciélagos, seguido de su adaptación en humanos (^{Cui et al., 2019}; ^{Cagliani et al., 2020}; ^{Lu et al., 2020}). El SARS-CoV nunca alcanzó un nivel de pandemia. Una de las diferencias es que SARS-CoV-2 es más fácilmente transmisible que el SARS-CoV. La diferencia genética en transmisibilidad y patogenicidad se encuentra en la proteína espicular S (^{Zhou et al., 2020}).

La proteína espicular adorna de virión del coronavirus y media la entrada a la célula para iniciar la infección (^{Li, 2016}; ^{Wrapp et al., 2020}a). La entrada del SARS-CoV-2 es mediada por la interacción específica entre la proteína espicular S y el receptor celular ACE2 (por sus siglas en inglés), o enzima convertidora de angiotensina (^{Cai et al., 2020}). Las personas infectadas desarrollan anticuerpos neutralizantes contra toda la proteína S y anticuerpos no neutralizantes contra fracciones o una subunidad de la proteína S (^{Brochot et al., 2020}; ^{Cai et al., 2020}). Por consiguiente, los anticuerpos contra la proteína S son usados como marcadores en ensayos de diagnóstico (^{Zhu et al., 2007}; ^{Li et al., 2008}; ^{Brochot et al., 2020}). Otros protocolos de diagnóstico del coronavirus se basan en la detección de ARN viral por RT-PCR, proteínas virales o anticuerpos desarrollados contra las proteínas virales (^{Brochot et al., 2020}; ^{Phan, 2020}b; ^{Zhu et al., 2020}).

Varias vacunas contra SARS-CoV-2 se encuentran en desarrollo, usando varios enfoques, incluyendo virus atenuados o desactivados, ADN, con base en adenovirus y vacunas de ARNm (^{Amanat y Krammer, 2020}; ^{Dearlove et al., 2020}). En Estados Unidos, dos vacunas de ARNm basadas en la proteína S han sido autorizadas para su uso por la Administración de Alimentos y Fármacos de Estados Unidos (FDA, por sus siglas en inglés). La finalidad de estas vacunas es bloquear la entrada del virus a la célula al activar la formación de anticuerpos contra la proteína S. Hace poco demostramos que el cistrón que codifica la proteína S es el más variable en el genoma del SARS-CoV-2 y en toda la especie del género Betacoronavirus (^{LaTourrette et al., 2021}), que incluye a SARS-CoV y a MERS-CoV. La amplia diversidad genética de su huésped ha seleccionado a Betacoronavirus para la hipervariación en la proteína S (^{LaTourrette et al., 2021}).

La naturaleza hipervariable de la proteína S tiene varias funciones biológicas. Una es mantener la funcionalidad y reconocer a un grupo genéticamente diverso de hospedantes en potencia, tales como los humanos o los murciélagos (^{Zhai et al., 2020}). Otra es desencadenar la formación de anticuerpos no neutralizantes que sirven de señuelos. La variación de la proteína S también podrían escapar a anticuerpos neutralizantes formados por una infección natural o desencadenados por vacunas (^{Long et al., 2020}; ^{Walls et al., 2020}). Por ello, la eficacia de las vacunas y la confiabilidad de la prueba de diagnóstico tiene el potencial de ser afectado por la variación en la proteína S. La variación en la proteína S también explica la ocurrencia de infecciones recurrentes de SARS-CoV-2 (^{Tillett et al., 2020}). Una comprensión de los fundamentos de la biología y la variación genómica del coronavirus sientan las bases para el diseño y la implementación de pruebas de diagnóstico, vacunas y fármacos antivirales.

Taxonomía del Coronavirus

Los coronavirus pertenecen al orden Nidovirales, la familia Coronaviridae, la subfamilia Orthcoronavirinae y cuatro géneros (Alphacoronavirus, Betacoronavirus, Gammacoronavirus y Deltacoronavirus) (^{Lu et al., 2020}; ^{Zhu et al., 2020}) (Figura 1). Los alfacoronavirus infectan a los mamíferos. Los betacoronavirus infectan principalmente a murciélagos y humanos. Los gamacoronavirus y deltacoronavirus infectan a aves y algunas especies, a mamíferos. El género Betacoronavirus se divide en cinco subgéneros (Figura 1): Embevorirus, Merbecovirus, Nobecovirus, Hibecovirus y Sarbecovirus (^{Lu et al., 2020}; ^{Zhu et al., 2020}). El subgénero Sarbecovirus contiene especies que infectan sólo a murciélagos y humanos e incluye a SARS-CoV y a SARS-CoV-2. Otro coronavirus humano, el MERS-CoV, pertenece al subgénero Merbecovirus. Los subgéneros Nobecovirus y Hibecovirus están integrados por especies que infectan a murciélagos (Figura 1).

Figura 1 Organización taxonómica de los coronavirus. Las especies representativas están señaladas para cada género y subgénero. Sus hospedantes y tropismo están señalados. Los patógenos humanos importantes aparecen resaltados en color azul. 

Organización del genoma del Coronavirus

En los betacoronavirus, el genoma consiste en un único ARN, lineal, de polaridad positiva y con una longitud de aproximadamente 30,000 nt. El virión es esférico, está envuelto y tiene un diámetro de 120 nm (^{Brian y Baric, 2005}; ^{Cui et al., 2019}). El ARN genómico está protegido por la nucleoproteína N en una nucleocápside. La envoltura está formada por la proteína de membrana (M) y la proteína E de la membrana pequeña. Una característica distintiva del virión del coronavirus es la presencia de puntas formadas por la glucoproteína S (proteína S) (Figura 2) (^{Lan et al., 2020}; ^{Walls et al., 2020}; ^{Wrapp et al., 2020}a).

El ARN genómico del coronavirus (Figura 3) está protegido, poliandenilado y codifica múltiples cistrones en los marcos abiertos de lectura 1 (ORF1a) y 1b (ORF1b), unidos por un desplazamiento de marco ribosómico. Las poliproteínas 1a y 1ab son procesadas por proteinasa similar al NSP3 y la proteinasa NSP5 similar al 3C para formar la polimerasa ARN dependiente del ARN viral y varias proteínas no estructurales necesarias para la replicación del ARN. M, E, S y otras proteínas estructurales se expresan desde ARNs subgenómicos coterminales con la punta de 3’ y contienen un líder de 5’ con una longitud de entre 65 y 89 nt (^{Brian y Baric, 2005}).

Entrada a la célula

La entrada a la célula está mediada por puntas de proteína S en la superficie del virión que interactúan con receptores celulares. El proceso es facilitado por cofactores de entrada (^{Gallagher y Buchmeier, 2001}; ^{Li, 2013}; ^{Cantuti-Castelvetri et al., 2020}; ^{Yan et al., 2020}). La proteína S se divide en las subunidades S1 y S2, divididas por proteasas celulares y cofactores (^{Millet y Whittaker, 2015}; ^{Cantuti-Castelvetri et al., 2020}; ^{Coutard et al., 2020}; ^{Xia et al., 2020}). El dominio de unión del receptor está ubicado en la punta del cabezal S1 y media en el reconocimiento y unión con la superficie del receptor ACE2 (^{Cai et al., 2020}). Las interacciones entre la proteína S y el receptor celular son fundamentales para la entrada a la célula y altamente específicas (^{Cai et al., 2020}). Por ello, la proteína S es un factor decisivo del rango del hospedante del coronavirus (^{Gallagher y Buchmeier, 2001}; ^{Zhai et al., 2020}).

Figura 2 Representación esquemática de viriones de coronavirus, la entrada a las células y generación y actividad de anticuerpos neutralizantes contra la proteína S desencadenada por infección natural o una vacuna de ARNm 

Figura 3 Organización de genomas de SARS-CoV-2 y el diseño de una vacuna de ARNm. Las coordenadas se basan en el aislamiento de referencia Wuhan-Hu-1 (NC_045512.2). 

La vacuna de ARNm

Por su papel fundamental en la entrada a la célula, la proteína S espicular es el objetivo común de anticuerpos neutralizantes y vacunas (^{Brochot et al., 2020}; ^{Cai et al., 2020}). En personas infectadas con el coronavirus, los anticuerpos neutralizantes son formados en contra de toda la proteína S. Sin embargo, también se desarrollan anticuerpos no neutralizantes en contra de la subunidad S2 (^{Brochot et al., 2020}; ^{Cai et al., 2020}).

Las vacunas desencadenan la formación de anticuerpos neutralizantes contra la proteína S en la ausencia de una infección. Dos vacunas de ARNm basadas en la proteína S han sido autorizadas. Sus diseños son similares y están basados en la organización genómica y la expresión de los genes de los coronavirus (Figura 3). La codificación del cistrón para la proteína S fue clonada usando la secuencia del aislamiento de referencia Wuhan-Hu-1 (NC_045512.2). Un UTR de 5’, un UTR de 3’ y una cola de poli A se adicionaron para brindar estabilidad y aumentar la eficiencia de traducción. Para dar cuenta de la variación en la proteína S (^{Becerra-Flores y Cardozo, 2020}), se introdujeron mutaciones prevalentes, y para aumentar la eficiencia de traducción aún más, se introdujeron modificaciones de nucleósidos (^{Pardi et al., 2018}). El diseño básico se hizo mediante la integración de toda la información previamente acumulada acerca de SARS-CoV y MERS (^{Corbett et al., 2020}). Para su entrega, y para evitar su degradación, el ARNm está cubierta por una nanogota lípida que descarga el ARNm dentro de la célula. Los ribosomas traducen el ARNm en una proteína S que desencadena la formación de anticuerpos neutralizantes (^{Pardi et al., 2018}).

Figura 4 Variación genómica en los betacoronavirus. Un índice de variación genómica indica la proporción de polimorfismos de un solo nucleótido normalizados al largo del genoma. Modificado de ^{LaTourrette et al. (2021}). 

Variación genómica

En el SARS-CoV-2 se han detectado mutaciones que están siendo rastreadas con el uso de herramientas en línea (^{Hadfield et al., 2018}; ^{Fernandes et al., 2020}). Recientemente trazamos un perfil de la variación genómica en todas las especies del género Betacoronavirus (^{LaTourrette et al., 2021}). Los resultados muestran que los betacoronavirus son hipervariables (Figura 4). La mayor diversidad se observó en Rousettus bat coronavirus HKU9, otras especies que infectan a murciélagos, y el MERS-CoV. En estas especies, más de 25% de los nucleótidos en el genoma son polimórficos (Figura 4). El genoma de los betacoronavirus consiste en entre 11 y 14 cistrones. El cistrón más variable codifica la proteína espicular S. La menor variación fue detectada en los cistrones que codifican las proteínas que median la replicación del virus: polimerasa de RNA dependiente de ARN, helicasa de ARN, exonucleasa, endo-RNAsa y metiltransferasa, y que se encuentran en el marco de lectura abierto 1b (LaTourrette et al., 2021).

Variación de la proteína S

Las mutaciones en el genoma de SARS-CoV-2 tienen el potencial de afectar la precisión de las pruebas de diagnóstico y la eficacia de las vacunas. Mediante un reciente análisis del genoma entero comprobamos que la hipervariación de la proteína S es una característica general de los betacoronavirus (^{LaTourrette et al., 2021}). La hipervariación en la proteína S es evidente en los betacoronavirus altamente patogénicos para los humanos: MERS-CoV (Figura 5A), SARS-CoV (Figura 5B) y SARS-CoV-2 (Figura 5C). El patrón también es claro en las especies que infectan a los murciélagos (Figura 5B). Específicamente en SARS-CoV-2, varias regiones en la proteína S son hipervariables, incluyendo el dominio de unión al receptor ACE2 y la región proximal del péptido de fusión (Figura 5D).

Los betacoronavirus infectan principalmente a murciélagos y humanos (Figura 1). Dada la gran diversidad genética de los murciélagos, y posiblemente de humanos, los receptores celulares, proteasas y cofactores de entrada posiblemente sean diversos (^{Kuo et al., 2000}; ^{Cantuti-Castelvetri et al., 2020}). Por consiguiente, la hipervariación de la proteína S puede brinda una ventaja evolutiva. Los mecanismos que impulsan la selección diversificadora en la proteína S podrían incluir la diversidad en receptores celulares, proteasas celulares que procesan el sitio de escisión S1/S2, cofactores de entrada celular y anticuerpos.

Varios dominios en la proteína S están intrínsecamente desordenados (^{LaTourrette et al., 2021}): el dominio de unión del receptor y el dominio 2 de la terminal C en S1, así como la región proximal del péptido de fusión en S2 (Figura 5D). Esta observación es importante, ya que las proteínas intrínsecamente desordenadas median en la diversidad funcional y las interacciones con parejas genéticamente diversas, tales como los receptores celulares y el cofactor de entrada en murciélagos y humanos (^{Hebrard et al., 2009}; ^{Rantalainen et al., 2011}; ^{Charon et al., 2018}). La selección para la hipervariación y el desorden en la proteína S son consistentes con el origen en el murciélago de SARS-CoV y SARS-CoV-2, seguido de su adaptación en los humanos (^{Cui et al., 2019}; ^{Lu et al., 2020}).

En los betacoronavirus, la proteína S es hipervariable, desordenada, mutacionalmente robusta (^{LaTourrette et al., 2021}) y es determinante en la adaptación y el rango de los hospedantes (^{Kuo et al., 2000}; ^{Muth et al., 2018}; ^{Zhai et al., 2020}). Estas son características intrinsicas de todos las especies de betacoronavirus que les da una ventaja evolutiva (^{LaTourrette et al., 2021}).

Figura 5 Distribución de variación genómica en betacoronavirus humanos. Polimorfismos de un solo nucleótido fueron graficados con respecto al genoma. Un intervalo de confianza de 99% está señalado como una línea horizontal. A) MERS-CoV. B) SARS-CoV. Dos especies que infectan a murciélagos están incluidas para comparar. C) SARS-CoV-2. D) Polimorfismo de un solo aminoácido en la proteína S de SARS-CoV-2. Los dominios están anotados y con códigos de color. Modificado de ^{LaTourrette et al. (2021}). 

Anticuerpos contra la proteína S

En células infectadas se desarrollan anticuerpos neutralizantes contra la proteína S (^{Brochot et al., 2020}; ^{Cai et al., 2020}). El dominio de unión del receptor es un antígeno crítico (^{Noy-Porat et al., 2020}). Además, se encuentran presentes anticuerpos no neutralizantes contra fragmentos de proteína S de la subunidad dos (^{Brochot et al., 2020}; ^{Cai et al., 2020}). Anticuerpos que no neutralizan proporcionan varias ventajas al virus. Reducen la síntesis de anticuerpos neutralizantes y mantienen ocupados al sistema inmunológico (^{Cai et al., 2020}). Por ello, la hipervariación de la proteína S podría ser un mecanismo para que los betacoronavirus escapen del sistema inmune.

Variación en la proteína S e implicaciones para el uso en vacunas

Las vacunas contra el SARS-CoV-2 inducen anticuerpos neutralizantes contra la proteína S (Figura 2) (^{Cai et al., 2020}; ^{Wrapp et al.; Yuan et al., 2020}). La hipervariación en la proteína S tiene el potencial de reducir la eficacia de las vacunas mediante varios mecanismos. En un individuo infectado se podrían generar, y se han detectado, varias variantes del virus (^{Jary et al., 2020}) con el potencial de escapar a los anticuerpos neutralizantes. Además, los anticuerpos desarrollados después de recibir la vacuna son agentes de selección con el potencial de favorecer a variantes del virus que pueden escapar a anticuerpos neutralizantes (^{Baum et al., 2020}).

En este escenario, si el SARS-CoV-2 permanece genéticamente estable, las vacunas serán eficientes (^{Dearlove et al., 2020}), las pruebas de diagnósticos basadas en anticuerpos serán muy confiables y la gente infectada que desarrollen anticuerpos probablemente se vuelvan inmunes al SARS-CoV-2. Sin embargo, si el SARS-CoV-2 se separa en cepas, las vacunas serán eficientes sólo contra cepas estrechamente relacionadas e ineficiente contra cepas diversificadas, con lo que la gente se infectará con SARS-CoV-2 de manera recurrente.

La reinfección en los humanos ha sido confirmada (^{Tillett et al., 2020}) y la hipervariación en la proteína S es una característica general de los betacoronavirus (^{LaTourrette et al., 2021}). Estas observaciones predicen que se requerirán ajustes al diseño de la vacuna y pruebas de diagnóstico con base en anticuerpos. Las vacunas administradas a las personas podrían consistir en un cóctel de variantes de la proteína S (^{Baum et al., 2020}; ^{Cai et al., 2020}). Además, o como alternativa, las vacunas quizá necesiten ser rediseñadas con base en las dinámicas de la población del SARS-CoV-2, su estructura y distribución geográfica (^{Korber et al., 2020}; ^{Taboada et al., 2020}; ^{LaTourrette et al., 2021}).

Es posible que el SARS-CoV-2 acumule mutaciones para su replicación eficiente y se diferencie en cepas biológicas a medida que el virus enfrenta presión de selección de poblaciones humanas genéticamente diferentes (^{LaTourrette et al., 2021}). Son muchas las líneas de evidencia que apoyan este modelo. A pesar de no haber alcanzado niveles pandémicos, la proteína S acumuló grandes cantidades de mutaciones en MERS-CoV y SARS-CoV (Figura 5). Se han detectado variantes del SARS-CoV-2 que han infectado al mismo individuo (^{Tillett et al., 2020}; ^{Jary et al., 2020}) y se han identificado mutaciones recurrentes en el marco abierto de lectura 1ab y cistrones que codifican NSP6 y proteína S (^{van Dorp et al., 2020}). Además, también se han descrito mutaciones contrastantes. En México, la población de SARS-CoV-2 se agrupó en clados (^{Taboada et al., 2020}) y en Arizona se detectó la eliminación de 27 aminoácidos en la proteína 7 (^{Holland et al., 2020}).

El primer genoma del SARS-CoV-2 surgió de la cepa inicialmente descrita en China, (Wuhan-Hu-1 NC_045512.2). El cistrón que codifica la proteína S contiene residuos que son compatibles, aunque no óptimos, para el receptor humano de unión ACE2 (^{Wan et al., 2020}). Por ello, la proteína S tiene el potencial de acumular mutaciones para una entrada más eficiente a las células humanas. Consistente con este modelo, una mutación de D614G hace al virus más transmisible, más patogénico para humanos (^{Becerra-Flores y Cardozo, 2020}) y ha reemplazado a la cepa inicial (^{Long et al., 2020}; ^{Volz et al., 2020}). La mutación de D614G y otros en el dominio de unión del receptor reducen la afinidad al anticuerpo monoclonal CR3022 (Long et al., 2020). Esto es consistente con un rol de la variación de la proteína S para escapar de anticuerpos neutralizantes.

Retos a futuro

El SARS-CoV-2 está acumulando mutationes y cambiando (^{Forster et al., 2020}; ^{Korber et al., 2020}; ^{Phan, 2020}a) y que, como grupo, los betacoronavirus son hipervariables y la variación se acumula principalmente en la proteína S (^{LaTourrette et al., 2021}). Esta variación tiene el potencial de afectar tanto la eficacia de las vacunas como la confiabilidad de la prueba de diagnóstico basada en anticuerpos. De forma colectiva, esta información predice que el diseño y el uso de las vacunas se basará en la comprensión fundamental y la caracterización de las proteínas S y otros genes en el genoma del SARS-CoV-2 en una combinación de factores tales como la genética de las poblaciones humanas, grupos de edades, condiciones de salud subyacentes y fronteras geográficas y regionales. Caracterizar la estructura genética de SARS-CoV-2 a una escala fina y traducir esta variación al diseño y la implementación de las vacunas contra SARS-CoV-2 es uno de los desafíos principales. Para responder a este desafío será esencial realizar un perfil de la estructura genética de este virus en diferentes partes del mundo, en poblaciones humanas de diversos orígenes genéticos y antes y después de administrar las vacunas contra el SARS-CoV-2.