Nature Medicine 26 , 450 - 452 ( 2020 )
Al Editor - Desde los primeros informes de neumonía nueva (COVID-19) en Wuhan, provincia de Hubei, China 1 , 2 , ha habido una discusión considerable sobre el origen del virus causante, SARS-CoV-2 3 (también mencionado como HCoV-19) 4 . Las infecciones por SARS-CoV-2 ahora están generalizadas, y hasta el 11 de marzo de 2020, se habían confirmado 121.564 casos en más de 110 países, con 4.373 muertes 5 .
El SARS-CoV-2 es el séptimo coronavirus que se sabe que infecta a los humanos; El SARS-CoV, MERS-CoV y el SARS-CoV-2 pueden causar una enfermedad grave, mientras que HKU1, NL63, OC43 y 229E están asociados con síntomas leves 6 . Aquí revisamos lo que se puede deducir sobre el origen del SARS-CoV-2 del análisis comparativo de datos genómicos. Ofrecemos una perspectiva sobre las características notables del genoma del SARS-CoV-2 y discutimos los escenarios por los cuales podrían haber surgido. Nuestros análisis muestran claramente que el SARS-CoV-2 no es una construcción de laboratorio o un virus manipulado a propósito.
Características notables del genoma SARS-CoV-2
Nuestra comparación de alfa y betacoronavirus identifica dos características genómicas notables del SARS-CoV-2: (i) sobre la base de los estudios estructurales 7 , 8 , 9 y los experimentos bioquímicos 1 , 9 , 10 , el SARS-CoV-2 parece ser optimizado para unirse al receptor humano ACE2; y (ii) la proteína espiga del SARS-CoV-2 tiene un sitio funcional de escisión polibásica (furina) en el límite S1-S2 a través de la inserción de 12 nucleótidos 8 , lo que condujo adicionalmente a la adquisición prevista de tres glicanos unidos por O alrededor el sitio.
1. Mutaciones en el dominio de unión al receptor de SARS-CoV-2
El dominio de unión al receptor (RBD) en la proteína espiga es la parte más variable del genoma coronavirus 1 , 2 . Seis aminoácidos RBD han demostrado ser críticos para la unión a los receptores ACE2 y para determinar el rango de hospedadores de virus similares al SARS-CoV 7 . Con coordenadas basadas en SARS-CoV, son Y442, L472, N479, D480, T487 e Y4911, que corresponden a L455, F486, Q493, S494, N501 e Y505 en SARS-CoV-2 7 . Cinco de estos seis residuos difieren entre SARS-CoV-2 y SARS-CoV (Fig. 1a ). Sobre la base de los estudios estructurales 7 , 8 , 9 y los experimentos bioquímicos 1 , 9 , 10., SARS-CoV-2 parece tener un RBD que se une con alta afinidad a ACE2 de humanos, hurones, gatos y otras especies con alta homología de receptores 7 .
2. Sitio de escisión de furina polibásico y glicanos unidos a O
La segunda característica notable del SARS-CoV-2 es un sitio de escisión polibásica (RRAR) en la unión de S1 y S2, las dos subunidades de la espiga 8 (Fig. 1b ). Esto permite la escisión efectiva por furina y otras proteasas y tiene un papel en la determinación de la infectividad viral y el rango de hospedador 12 . Además, una prolina líder también se inserta en este sitio en SARS-CoV-2; así, la secuencia insertada es PRRA (Fig. 1b ). Se predice que el giro creado por la prolina dará como resultado la adición de glucanos unidos a O a S673, T678 y S686, que flanquean el sitio de escisión y son exclusivos del SARS-CoV-2 (Fig. 1b) No se han observado sitios de escisión polibásica en los betacoronavirus del 'linaje B' relacionados, aunque otros betacoronavirus humanos, incluido el HKU1 (linaje A), tienen esos sitios y los glicanos O-ligados 13 . Dado el nivel de variación genética en la espiga, es probable que se descubran virus similares al SARS-CoV-2 con sitios de escisión polibásica parcial o total en otras especies.
Se desconoce la consecuencia funcional del sitio de escisión polibásica en SARS-CoV-2, y será importante determinar su impacto sobre la transmisibilidad y la patogénesis en modelos animales. Los experimentos con SARS-CoV han demostrado que la inserción de un sitio de escisión de furina en la unión S1-S2 mejora la fusión célula-célula sin afectar la entrada viral 14 . Además, la escisión eficiente de la espiga MERS-CoV permite que los coronavirus tipo MERS de los murciélagos infecten células humanas 15 . En los virus de la gripe aviar, la replicación y transmisión rápidas en poblaciones de pollo altamente densas selecciona la adquisición de sitios de escisión polibásicos en la proteína 16 de hemaglutinina (HA), que cumple una función similar a la de la proteína espiga de coronavirus. La adquisición de sitios de escisión polibásicos en HA, por inserción o recombinación, convierte los virus de influenza aviar de baja patogenicidad en formas altamente patógenas 16 . La adquisición de sitios de escisión polibásica por HA también se ha observado después del paso repetido en cultivo celular o a través de animales [ 17] .
La función de los glucanos ligados a O pronosticados no está clara, pero podrían crear un 'dominio similar a la mucina' que proteja los epítopos o los residuos clave en la proteína 18 de la espiga del SARS-CoV-2 . Varios virus utilizan dominios similares a la mucina como escudos de glucano que implican inmunoevasión 18 . Aunque la predicción de la glicosilación ligada a O es sólida, se necesitan estudios experimentales para determinar si estos sitios se usan en el SARS-CoV-2.
Teorías del origen del SARS-CoV-2
Es improbable que el SARS-CoV-2 surgiera a través de la manipulación de laboratorio de un coronavirus similar al SARS-CoV relacionado. Como se señaló anteriormente, el RBD de SARS-CoV-2 está optimizado para unirse al ACE2 humano con una solución eficiente diferente de las predichas previamente 7 , 11 . Además, si se hubiera realizado la manipulación genética, uno de los varios sistemas de genética inversa disponibles para los betacoronavirus probablemente se habría utilizado 19 . Sin embargo, los datos genéticos muestran irrefutablemente que el SARS-CoV-2 no se deriva de ningún esqueleto de virus usado previamente 20. En cambio, proponemos dos escenarios que pueden explicar de manera plausible el origen del SARS-CoV-2: (i) selección natural en un huésped animal antes de la transferencia zoonótica; y (ii) selección natural en humanos después de la transferencia zoonótica. También discutimos si la selección durante el pasaje podría haber dado lugar a SARS-CoV-2.
1. Selección natural en un huésped animal antes de la transferencia zoonótica
Como muchos de los primeros casos de COVID-19 estaban vinculados al mercado de Huanan en Wuhan 1 , 2 , es posible que haya una fuente animal presente en este lugar. Dada la similitud del SARS-CoV-2 con los coronavirus 2 similares a los del SARS-CoV , es probable que los murciélagos sirvan como reservorios para su progenitor. Aunque RaTG13, muestreado de un murciélago Rhinolophus affinis 1 , es ~ 96% idéntico en general al SARS-CoV-2, su pico diverge en el RBD, lo que sugiere que puede no unirse de manera eficiente al ACE2 7 humano ( Fig.1a ).
Los pangolines de Malasia ( Manis javanica ) importados ilegalmente a la provincia de Guangdong contienen coronavirus similares al SARS-CoV-2 21 . Aunque el virus RaTG13 bate sigue siendo el más cercano de SARS-CoV-2 en todo el genoma 1 , algunos coronavirus pangolín exhiben una fuerte similitud con SARS-CoV-2 en el RBD, incluyendo todos los seis residuos de RBD clave 21 (Fig. 1 ). Esto muestra claramente que la proteína de pico de SARS-CoV-2 optimizada para unirse a ACE2 de tipo humano es el resultado de la selección natural.
Ni los betacoronavirus de murciélago ni los betacoronavirus de pangolín muestreados hasta ahora tienen sitios de escisión polibásica. Aunque no se ha identificado ningún coronavirus animal que sea lo suficientemente similar como para haber servido como el progenitor directo del SARS-CoV-2, la diversidad de coronavirus en los murciélagos y otras especies se subestima masivamente. Las mutaciones, inserciones y deleciones pueden ocurrir cerca de la unión S1-S2 de coronavirus 22, que muestra que el sitio de escisión polibásica puede surgir por un proceso evolutivo natural. Para que un virus precursor adquiera tanto el sitio de escisión polibásico como mutaciones en la proteína espiga adecuada para unirse al ACE2 humano, un huésped animal probablemente tendría que tener una alta densidad de población (para permitir que la selección natural proceda eficientemente) y una codificación de ACE2 gen que es similar al ortólogo humano.
2. Selección natural en humanos después de la transferencia zoonótica
Es posible que un progenitor de SARS-CoV-2 salte a los humanos, adquiriendo las características genómicas descritas anteriormente a través de la adaptación durante la transmisión no detectada de humano a humano. Una vez adquiridas, estas adaptaciones permitirán que la pandemia despegue y produzca un grupo de casos lo suficientemente grande como para activar el sistema de vigilancia que lo detectó 1 , 2 .
Todos los genomas del SARS-CoV-2 secuenciados hasta ahora tienen las características genómicas descritas anteriormente y, por lo tanto, se derivan de un antepasado común que también los tenía. La presencia en pangolines de una RBD muy similar a la del SARS-CoV-2 significa que podemos inferir que esto también se debió probablemente al virus que saltó a los humanos. Esto deja que la inserción del sitio de escisión polibásica ocurra durante la transmisión de humano a humano.
Las estimaciones del momento del antepasado común más reciente del SARS-CoV-2 realizado con datos de secuencia actuales apuntan a la aparición del virus a fines de noviembre de 2019 hasta principios de diciembre de 2019 23 , compatible con los primeros casos confirmados retrospectivamente 24. Por lo tanto, este escenario supone un período de transmisión no reconocida en humanos entre el evento zoonótico inicial y la adquisición del sitio de escisión polibásica. Podría haber surgido una oportunidad suficiente si hubiera habido muchos eventos zoonóticos anteriores que produjeron cadenas cortas de transmisión de persona a persona durante un período prolongado. Esta es esencialmente la situación para MERS-CoV, en el que todos los casos humanos son el resultado de repetidos saltos del virus de camellos dromedarios, produciendo infecciones únicas o cadenas de transmisión cortas que eventualmente se resuelven, sin adaptación a la transmisión sostenida 25 .
Los estudios de muestras humanas almacenadas podrían proporcionar información sobre si se ha producido dicha propagación críptica. Los estudios serológicos retrospectivos también podrían ser informativos, y algunos de estos estudios se han realizado mostrando exposiciones de bajo nivel a coronavirus similares al SARS-CoV en ciertas áreas de China 26 . Sin embargo, estos estudios no pudieron distinguir de manera crítica si las exposiciones se debieron a infecciones previas con SARS-CoV, SARS-CoV-2 u otros coronavirus similares al SARS-CoV. Se deben realizar más estudios serológicos para determinar el alcance de la exposición humana previa al SARS-CoV-2.
3. Selección durante el pasaje
La investigación básica que implica el paso de coronavirus de tipo SARS-CoV de murciélago en cultivos celulares y / o modelos animales ha estado en curso durante muchos años en laboratorios de nivel 2 de bioseguridad en todo el mundo 27 , y hay casos documentados de escapes de laboratorio de SARS-CoV 28 . Por lo tanto, debemos examinar la posibilidad de una liberación inadvertida de SARS-CoV-2 en el laboratorio.
En teoría, es posible que el SARS-CoV-2 haya adquirido mutaciones RBD (Fig. 1a ) durante la adaptación al pasaje en cultivo celular, como se ha observado en estudios de SARS-CoV 11 . Sin embargo, el hallazgo de coronavirus de tipo SARS-CoV de pangolinas con RBD casi idénticos, proporciona una explicación mucho más fuerte y parsimoniosa de cómo el SARS-CoV-2 los adquirió mediante recombinación o mutación 19 .
La adquisición tanto del sitio de escisión polibásica como de los glicanos O-ligados predichos también argumenta en contra de escenarios basados en cultivos. Se han observado nuevos sitios de escisión polibásica solo después del paso prolongado del virus de la influenza aviar de baja patogenicidad in vitro o in vivo 17. Además, una generación hipotética de SARS-CoV-2 por cultivo celular o paso de animales habría requerido el aislamiento previo de un virus progenitor con una similitud genética muy alta, lo que no se ha descrito. La generación posterior de un sitio de escisión polibásica habría requerido un paso repetido en cultivos celulares o animales con receptores ACE2 similares a los de los humanos, pero dicho trabajo tampoco se ha descrito previamente. Finalmente, la generación de los glicanos O-ligados pronosticados también es improbable debido al paso del cultivo celular, ya que tales características sugieren la participación de un sistema inmune 18 .
Conclusiones
En medio de la emergencia global de salud pública de COVID-19, es razonable preguntarse por qué los orígenes de la pandemia son importantes. La comprensión detallada de cómo un virus animal saltó los límites de las especies para infectar a los humanos de manera productiva ayudará a prevenir futuros eventos zoonóticos. Por ejemplo, si el SARS-CoV-2 se preadapta en otra especie animal, existe el riesgo de futuros eventos de reaparición. Por el contrario, si el proceso de adaptación se produjo en humanos, incluso si se producen transferencias zoonóticas repetidas, es poco probable que despeguen sin la misma serie de mutaciones. Además, la identificación de los parientes virales más cercanos del SARS-CoV-2 que circulan en animales será de gran ayuda para los estudios de la función viral. De hecho, la disponibilidad de la secuencia de murciélago RaTG13 ayudó a revelar mutaciones clave de RBD y el sitio de escisión polibásica.
Las características genómicas descritas aquí pueden explicar en parte la infecciosidad y la transmisibilidad del SARS-CoV-2 en humanos. Aunque la evidencia muestra que el SARS-CoV-2 no es un virus manipulado a propósito, actualmente es imposible probar o refutar las otras teorías de su origen descritas aquí. Sin embargo, dado que observamos todas las características notables de SARS-CoV-2, incluida la RBD optimizada y el sitio de escisión polibásica, en coronavirus relacionados en la naturaleza, no creemos que ningún tipo de escenario de laboratorio sea plausible.
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