Conmutador de host

En parasitología y epidemiología , un cambio de hospedador (o cambio de hospedador ) es un cambio evolutivo de la especificidad del hospedador de un parásito o patógeno . Por ejemplo, el virus de inmunodeficiencia humana solía infectar y circular entre primates no humanos en África central y occidental, pero pasó a los humanos a principios del siglo XX. ^{[1] [2]}

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

La especiación es la creación de una especie nueva y distinta a través de la evolución , por lo que existen diferencias únicas entre todas las formas de vida en la Tierra. No hace falta decir que los perros y los pájaros son clases de animales muy diferentes: por ejemplo, los perros tienen pelaje y los pájaros tienen plumas y alas. Por lo tanto, sabemos que su composición biológica fundamental es tan diferente como su apariencia física, esto abarca desde sus mecanismos celulares internos hasta su respuesta a la infección, y por lo tanto, los patógenos específicos de la especie deben superar múltiples barreras de rango de hospedadores para que su nuevo hospedador sustente su infección.

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

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 hospedadora donante. La nueva población no afecta al destino posterior de los parásitos de la misma especie en el hospedador donante y puede conducir finalmente a la especiación del parásito. Es más probable que este tipo de cambio se dirija a una población hospedadora en aumento que albergue una fauna parasitaria/patógena relativamente pobre, como las poblaciones pioneras de especies invasoras. El cambio del VIH al hospedador humano es de este tipo.

Alternativamente, en el caso de un parásito con múltiples hospedadores, el cambio de hospedador puede ocurrir como un cambio gradual del papel relativo de una especie hospedadora, que pasa a ser hospedadora primaria en lugar de secundaria. El antiguo hospedador primario se convierte lentamente en hospedador secundario, o incluso puede, eventualmente, ser abandonado por completo. Este proceso es más lento y más predecible, y no aumenta la diversidad de parásitos. Normalmente ocurrirá en una población hospedadora en disminución que alberga una fauna de parásitos/patógenos que es relativamente rica para el tamaño de la población hospedadora.

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 dar lugar a la aparición de una nueva cepa de la misma que la haga más fuerte (por ejemplo, la tuberculosis resistente a múltiples fármacos) . En otros casos, se pueden descubrir enfermedades que no se habían observado ni estudiado anteriormente. Estas pueden surgir debido a eventos de cambio de hospedador 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 hospedador 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 debido a la sobreexposición humana a la vida silvestre. Esto puede ser el resultado de la urbanización , la deforestación , la destrucción de los hábitats de la vida silvestre y los cambios en las prácticas agrícolas . Cuanto mayor sea la exposición humana a la naturaleza, más infecciones de contagio se producirán y los patógenos estarán expuestos a presiones de selección específicas de los humanos. Por lo tanto, el patógeno se ve impulsado hacia una adaptación específica y es más probable que obtenga las mutaciones necesarias para saltar la barrera de las especies y volverse infeccioso para los humanos.

El problema de 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 huésped sea peligroso y puede dar lugar a más infecciones patógenas. El patógeno no está adaptado a sobrevivir en este nuevo huésped y este desequilibrio en la historia coevolutiva puede dar lugar a infecciones agresivas. Sin embargo, este equilibrio debe controlarse para que el patógeno mantenga su infección en el nuevo huésped y no se propague a través de la población.

Un patógeno que experimenta un cambio de hospedador se ve impulsado por presiones de selección para adquirir los cambios necesarios que le permitan sobrevivir y transmitirse en la nueva especie hospedadora. Según una revisión de Microbiology and Molecular Biology de 2008, ^[7] este proceso de cambio de hospedador se puede definir en tres etapas:

• Infección aislada

-Una infección aislada de un nuevo huésped sin ninguna infección adicional dentro de la nueva especie.

-Se propaga a hosts sin salida

• Efectos indirectos locales

-Eventos de desbordamiento que causan pequeñas cadenas de transmisión local

• Epidemia

-Transmisión epidémica sostenida del patógeno dentro de la nueva especie huésped

• Pandemia

- Propagación mundial de la infección de la enfermedad.

La exposición a nuevos entornos y especies hospedadoras es lo que permite que los patógenos evolucionen. Los eventos de infección aislados tempranos exponen al patógeno a la presión selectiva de supervivencia en esa nueva especie, de la cual 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 huésped y la capacidad para una epidemia más grande y el patógeno puede sobrevivir de manera sostenible en su nuevo huésped, es decir, cambio de huésped. 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 propagado por todo el mundo.

Una zoonosis es un tipo específico de infección entre especies en la que las enfermedades se transmiten de animales vertebrados a humanos. Una característica importante de una enfermedad zoonótica es que se origina en reservorios animales que son esenciales para la supervivencia de los patógenos zoonóticos. ^[8] Existen naturalmente en las poblaciones animales de forma asintomática (o causando una enfermedad leve), lo que hace que sea difícil encontrar el huésped natural ( reservorio de la enfermedad ) e imposible de erradicar, ya que el virus siempre seguirá viviendo en especies animales salvajes.

Los patógenos zoonóticos que saltan de forma permanente de los animales vertebrados a las poblaciones humanas han realizado un cambio de hospedador y, por lo tanto, pueden seguir sobreviviendo, ya que están adaptados a la transmisión en las poblaciones humanas. Sin embargo, no todas las infecciones zoonóticas completan el cambio de hospedador y solo existen como eventos aislados más pequeños. Estos se conocen como derrames . Esto significa que los humanos pueden infectarse a partir de un patógeno animal, pero no necesariamente se arraiga 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 de cambio de hospedador necesarias para que el patógeno sea sostenible y transmisible en el nuevo hospedador.

Algunos eventos de transmisión entre especies son importantes porque pueden mostrar que un patógeno se está acercando al potencial de una epidemia o pandemia. Las epidemias pequeñas 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 de propagarse entre humanos. Este es el caso de los eventos de contagio, como la rabia . Los humanos infectados por la mordedura de animales rabiosos no tienden a transmitir la enfermedad y, por lo tanto, se clasifican como huéspedes sin salida. ^[9]

Una lista extensa de infecciones zoonóticas se puede encontrar en Zoonosis .

Los siguientes patógenos son ejemplos de enfermedades que han cruzado la barrera de las especies y han llegado a la población humana y resaltan la complejidad del cambio.

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

Los virus de la gripe A (IAV) se clasifican según dos proteínas que los definen. Estas proteínas están presentes en todas las cepas del virus de la gripe, pero pequeñas diferencias permiten diferenciar 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 huésped reservorio de la mayoría de los IAV con estos antígenos proteicos HA y NA . ^[11] Desde estos animales, el virus se propaga a otras especies (por ejemplo, cerdos, humanos, perros ^[10] ) creando infecciones a menor escala hasta que el virus ha adquirido mutaciones significativas para propagarse y mantenerse en otra especie. La enzima ARN polimerasa de la influenza tiene un bajo nivel de precisión debido a la falta de un mecanismo de corrección y, por lo tanto, tiene una alta tasa de error en términos de replicación genética . ^[10] Debido a esto, la influenza tiene la capacidad de mutar con frecuencia dependiendo de las presiones de selección actuales y tiene la capacidad de adaptarse para sobrevivir en diferentes especies hospedadoras.

Al comparar los virus de influenza aviar 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 a las que puede unirse ( tropismo celular ) para iniciar la infección y la replicación viral. Un virus de influenza aviar está adaptado para unirse al tracto gastrointestinal de las aves. ^[11] En las poblaciones de aves, el virus se elimina del sistema excretor al agua y es ingerido por otras aves para colonizar sus intestinos. Este no es el caso en los humanos, ya que la influenza, en esta especie, produce una infección respiratoria. 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 hospedador humano desde las poblaciones de aves. Además, el tracto respiratorio es ligeramente ácido y, por lo tanto, el virus también debe mutar para superar estas condiciones para colonizar con éxito los pulmones y el tracto respiratorio de los mamíferos. Las condiciones ácidas son un desencadenante de la pérdida de la cubierta viral, ya que normalmente es una señal de que el virus ha penetrado en una célula; sin embargo, la pérdida prematura de la cubierta resultará en la exposición del virus al sistema inmunológico , lo que provocará la muerte del virus. ^[12]

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 glucoproteínas externas en las membranas de las células huésped. Sin embargo, las proteínas HA tienen diferentes especificidades para los isómeros del ácido siálico dependiendo de la especie a la que esté adaptado el IAV. Los IAV adaptados para las aves reconocen los isómeros de ácido siálico α2-3, mientras que las HA de los IAV adaptadas a los humanos se unen a los isómeros α2-6. ^[10] Estos son los isómeros del ácido siálico presentes principalmente en las regiones del huésped que cada IAV infectó respectivamente, es decir, el tracto gastrointestinal de las aves y el tracto respiratorio de los humanos. Por lo tanto, para comprometerse con un cambio de huésped, la especificidad de la HA debe mutar a los receptores de sustrato del nuevo huésped.

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

La unión exitosa a diferentes tejidos del huésped no es el único requisito del cambio de huésped 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 huésped para funcionar. ^[13] La polimerasa es un complejo heterotrimérico y consta de 3 dominios principales: PB1, PB2 y PA. Cada uno juega su propio papel en la replicación del genoma viral, pero PB2 es un factor importante en la barrera del rango de huésped, ya que interactúa con las proteínas de la tapa del huésped . ^[10] Específicamente, el residuo 627 de la unidad PB2 muestra jugar un papel definitorio en el cambio de huésped de cepas de influenza aviar a humana adaptadas. En los IAV, el residuo en la posición 627 es ácido glutámico (E), mientras que en la influenza que infecta a los mamíferos, este residuo está mutado a lisina (K). ^{[13] [14]} Por lo tanto, el virus debe sufrir una mutación E627K para realizar un cambio de huésped en mamíferos. Esta región que rodea al residuo 627 forma un grupo que sobresale del núcleo de la enzima. Con la lisina, esta región de la superficie de PB2 puede formar un parche básico que permite la interacción con el cofactor del huésped, mientras que el residuo de ácido glutámico que se encuentra en los virus de la influenza aviar altera esta región básica y las interacciones posteriores. ^[13]

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

Hay muchos factores que determinan el éxito del cambio de huésped de la gripe de un ave a un huésped mamífero:

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

Cada factor tiene un papel que desempeñar y, por lo tanto, el virus debe adquirirlos todos para poder pasar por el cambio de hospedador. 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 a las 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 hospedador cambiará estos parámetros de la infección viral.

El VIH es el virus de inmunodeficiencia humana y ataca a las células del sistema inmunitario, agotando las defensas del organismo contra los patógenos que entran. En particular, el VIH infecta a los linfocitos T auxiliares CD4 ⁺ , una célula implicada en la organización y coordinación de la respuesta inmunitaria. Esto significa que el organismo puede reconocer a los patógenos que entran, pero no puede activar sus defensas contra ellos. ^[16] Cuando el VIH debilita lo suficiente el sistema inmunitario, provoca una afección conocida como síndrome de inmunodeficiencia adquirida o SIDA, que se caracteriza por pérdida de peso grave, fiebre, inflamación de los ganglios linfáticos y susceptibilidad a otras infecciones graves ^[17].

El VIH es un tipo de lentivirus del cual se sabe que dos tipos causan SIDA: VIH-1 y VIH-2 , ^{[16] [18]} ambos saltaron a la población humana a partir de numerosos eventos de transmisión entre especies por la enfermedad equivalente en primates conocida como virus de inmunodeficiencia simia (VIS) . Los VIS se encuentran en muchas especies de primates diferentes, incluidos chimpancés y mandriles que se encuentran en el África subsahariana, y en su mayor parte son en gran medida no patógenos ^[18] El VIH-1 y el VIH-2 tienen características similares pero son antigénicamente diferentes y, por lo tanto, se clasifican como diferentes tipos de VIH. ^[18] La mayoría de los eventos de transmisión no tienen éxito en cambiar su huésped, sin embargo, en el contexto del VIH-1, surgieron cuatro formas distintas categorizadas como grupos M, N, O y P, de los cuales el grupo M está asociado con el VIH-1 pandémico y representa la mayoría de los casos globales. Se propone que cada tipo surgió a través de la caza de carne de animales silvestres y la exposición a los fluidos corporales de primates infectados, ^[18] incluida la sangre.

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 SIV. A través de estas comparaciones proteómicas virales, se identificó que la proteína de matriz viral Gag-30 tiene diferentes aminoácidos en la posición 30. Este aminoácido se conserva como una metionina en los SIV, pero muta a una arginina o lisina en los grupos M, N y O del VIH-1, ^{[18] [19]} lo que sugiere una fuerte presión de selección en el nuevo hospedador. Esta observación fue apoyada por otros datos, incluido el hecho de que esta mutación se revirtió cuando se utilizó el VIH-1 para infectar primates, lo que significa que la arginina o la lisina se convirtieron nuevamente en la metionina observada originalmente en los SIV. ^[19] Esto refuerza la idea de la fuerte presión de selección específica del hospedador opuesta entre humanos y primates. Además, se observó que los virus que contienen metionina se replicaron de manera más eficiente en primates y los virus que contienen arginina/lisina en humanos. ^[19] Esto es 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 exacta del aminoácido de la posición 30.

La tetherina es una proteína de defensa de la respuesta inmunitaria innata cuya producción es activada por el interferón . La tetherina inhibe específicamente las capacidades infecciosas del VIH-1 al bloquear su liberación de las células que infecta. ^[20] Esto evita que el virus salga para infectar más células y detiene la progresión de la infección, lo que da 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-tetherina son diferentes entre los SIV y el VIH-1, lo que demuestra que la interacción con la tetherina es una restricción del rango de hospedadores que debe superarse para permitir un cambio de hospedador primate-humano. Los SIV utilizan la proteína Nef para eliminar la tetherina de la membrana celular, mientras que el VIH-1 utiliza la proteína Vpu para degradar la proteína de defensa. ^[18]

La tetherin 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 tetherin incluyen la región citoplasmática, la región transmembrana, un dominio extracelular en espiral y un ancla GPI ; ^[18] sin embargo, la tetherin humana difiere de otros primates al tener una deleción en la región citoplasmática. ^[21] Este dominio citoplasmático incompleto hace que las proteínas Nef que se encuentran en los SIV sean ineficaces como respuesta anti-tetherin 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 tetherin a través de la interacción con la región transmembrana conservada. ^[21]

Los dos factores que intervienen en la barrera del rango de hospedadores del SIV al virus VIH son:

• Proteína Gag-30: específicamente el aminoácido en la posición 30
• El uso de proteínas Nef o Vpu como defensa anti-tetherin

Sólo un virus SIV que contenga tanto mutaciones de la proteína Gag-30 como la adquisición de la proteína anti-tetherin Vpu podrá sufrir un cambio de hospedador de primates a humanos y convertirse en VIH. Estas adaptaciones evolutivas permiten al virus adquirir niveles óptimos de acción de la polimerasa en células humanas infectadas y la capacidad de impedir la destrucción del virus por la tetherin.