CAPÍTULO 6: Virus. Conceptos básicos

Un virus es un conjunto de genes, compuestos de DNA o RNA, empacados en un recubrimiento que contiene proteínas llamado cápside. Algunos virus también tienen una membrana de lípidos de doble capa externa al recubrimiento a la que se llama envoltura. La partícula viral completa resultante se denomina virión. Los virus tienen un requisito obligado de crecimiento intracelular y una fuerte dependencia de los componentes estructurales y metabólicos de la célula hospedadora. Debido a esto, también se hace referencia a los virus como parásitos intracelulares obligados. Los virus no tienen núcleo, citoplasma, mitocondrias u otros organelos celulares. Los virus que infectan a los humanos se denominan virus humanos, pero se consideran junto con la clase general de virus animales; los virus que infectan a las bacterias se llaman bacteriófagos (fagos, para abreviar) y los virus que infectan a las plantas se califican como virus vegetales.

La reproducción viral requiere que una partícula viral infecte a una célula hospedadora apropiada y que programe a la maquinaria celular para que sintetice los componentes virales que se necesitan para el ensamblaje de viriones nuevos, normalmente llamados viriones progenie o virus hijos. La célula hospedadora infectada llega a producir desde cientos a cientos de miles de viriones nuevos, por lo general ocasionando la muerte celular. El daño a los tejidos provocado por esta muerte celular explica la patología de muchas de las enfermedades virales en los humanos. Muchos de estos virus ocasionan una infección viral aguda seguida de una depuración viral. En algunos casos, la célula infectada sobrevive, lo que ocasiona una producción viral persistente y una infección crónica que quizá permanezca asintomática, produzca un estado patológico crónico o conduzca a una reincidencia de la infección.

En algunas circunstancias, un virus no logra reproducirse y, en vez de ello, ingresa en un estado latente (denominado lisogenia en el caso de los bacteriófagos) del cual puede reactivarse más adelante. Una posible consecuencia de la presencia de un genoma viral en estado latente es un nuevo genotipo para la célula. Algunas determinantes de virulencia bacteriana y algunas malignidades de las células animales son ejemplos de los efectos genéticos de un virus latente. Aparentemente, los vertebrados han coexistido con los virus durante un largo tiempo, ya que han desarrollado el sistema especial inespecífico del interferón, que opera en conjunción con el sistema inmune altamente específico en el combate de las infecciones virales.

Existen dos clases de agentes infecciosos que son estructuralmente más simples que los virus, a saber, viroides y priones. Los viroides son moléculas infecciosas circulares de RNA que carecen de cubiertas proteicas; son responsables de una multitud de enfermedades vegetales. Los priones, que en apariencia carecen de genes y se componen únicamente de proteínas, son los agentes que parecen ser los responsables de las encefalopatías espongiformes transmisibles y hereditarias como la tembladera en las ovejas; encefalopatía espongiforme bovina en el ganado vacuno y kuru, enfermedad de Creutzfeldt-Jakob y síndrome de Gerstmann-Sträussler-Scheinker en los humanos.

Los virus son aproximadamente 100 a 1 000 veces más pequeños que las células a las que infectan. Los virus más pequeños, los tamaño virión (parvovirus), tienen cerca de 20 nm de diámetro (1 nm = 10^–9 m), mientras que los virus humanos de mayor tamaño (poxvirus) tienen un diámetro aproximado de 300 nm (figura 6–1) y coinciden con el tamaño de las células bacterianas más pequeñas (Chlamydia y Mycoplasma). Por consiguiente, los virus por lo general pasan por filtros diseñados para atrapar bacterias, y esta propiedad puede, en principio, usarse como evidencia de una causa viral. Los virus inicialmente se describieron como agentes filtrables.

La estructura básica de todos los virus coloca el genoma de ácido nucleico (DNA o RNA) en el interior de una vaina proteínica llamada una cápside. Algunos virus de humanos están empacados más en una membrana lipídica, o envoltura, que por lo general se adquiere a partir del plasma o de la membrana citoplasmática de la célula infectada durante liberación desde la célula. Los virus que carecen de envoltura tienen una cápside externa definida, y se denominan virus con cápside desnudos. Los genomas de los virus con envoltura forman un complejo proteínico y una estructura llamada una nucleocápside, que a menudo está rodeada por una proteína de matriz que sirve como un puente entre la nucleocápside y el interior de la membrana viral. Las estructuras de proteína o de glucoproteína llamadas espigas, que a menudo sobresalen desde la superficie de partículas virales, están involucradas en el contacto inicial con receptores sobre las células huésped. Tales características de diseño básicas (icosaédricos con cápside desnudos, nucleocápside helicoidal envuelta, y cápside icosaédrica envuelta) se ilustran de manera esquemática en la figura 6–2. La figura 6–3 muestra micrografías electrónicas que son ejemplos de representantes de virus de humanos/animales.

La cubierta proteica que forma la cápside o nucleocápside asume una de dos formas básicas: cilíndrica (helicoide) o esférica (icosaedro). Algunos de los bacteriófagos más complejos combinan estas dos formas básicas, en las micrografías electrónicas de la figura 6–3 se muestran algunos ejemplos de estas tres categorías estructurales.

La cápside o envoltura de los virus sirve 1) para proteger el genoma de ácido nucleico de daños durante el paso extracelular del virus de una célula a otra, 2) para ayudar en el proceso de ingreso a la célula y 3) en algunos casos, para empaquetar enzimas esenciales para los primeros pasos del proceso de infección.

En general, el genoma de ácidos nucleicos de un virus es cientos de veces más largo que la dimensión más larga del virión completo. A esto sigue que el genoma viral debe encontrarse enormemente condensado durante el proceso de ensamblaje del virión. En el caso de los virus con cápside desnuda, esta condensación se logra mediante la asociación del ácido nucleico viral con proteínas básicas codificadas por el virus para formar el núcleo del virus (figura 6–2). En los virus con envoltura, la formación de la nucleocápside sirve para condensar el genoma viral de ácidos nucleicos. El virión en ocasiones contiene ciertas enzimas esenciales, proteínas accesorias/reguladoras o ambas codificadas por el virus.

Los genomas virales pueden constituirse de RNA o DNA y también pueden ser de cadena o hebra sencilla o doble. Los virus RNA pueden ser ya sea de sentido positivo (identificado con un +) (polaridad del mRNA) o de sentido negativo (−) (complementario o antisentido del mRNA), de doble cadena (una hebra + y la segunda hebra −) o ambisentido (polaridad tanto + como − en una misma hebra). Aunque los genomas de RNA de la mayoría de los virus son lineales, algunos virus RNA también tienen genomas segmentados (varios segmentos o trozos de RNA), en los que cada segmento es responsable de la codificación de una proteína.

El genoma de DNA de los virus puede constituir genomas tanto lineales como circulares. La mayoría de los virus contienen una sola copia de su genoma, a excepción de los rotavirus, que contienen dos copias idénticas de su genoma y, por ende, son diploides. Unos cuantos genomas virales (picornavirus, virus de la hepatitis B y adenovirus) contienen proteínas enlazadas en forma covalente a los extremos de las cadenas de RNA o DNA que son residuos del proceso de replicación. La diversidad estructural entre los virus es más evidente al considerarse la constitución de los genomas virales.

Estructura de la subunidad de las cápsides

Las cápsides o nucleocápsides son proteínas específicas codificadas por el virus que protegen al genoma y les dan forma a los virus. Las cápsides de todos los virus están compuestas de diversas copias de uno o, como máximo, varios tipos distintos de subunidades proteicas; este hecho proviene de dos consideraciones fundamentales. Primero, todos los virus codifican sus propias proteínas de cápside y aun si la capacidad total de codificación del genoma se utilizase para especificar una sola proteína gigante para la cápside, la proteína no sería del tamaño suficiente para encapsular el genoma de ácido nucleico. Así, se requieren múltiples copias de la proteína y, de hecho, el virus esférico más sencillo contiene 60 subunidades proteicas idénticas. Segundo, los virus son estructuras tan simétricas que no es raro visualizarlos con cápside desnuda en el microscopio electrónico en una disposición cristalina (p. ej., el virus simio 40 de la figura 6–3B).

La presencia de muchas subunidades proteicas idénticas en cápsides virales o la existencia de muchas espículas idénticas en la membrana de los virus con envoltura tienen implicaciones importantes para la adsorción, hemaglutinación y reconocimiento de los virus por parte de los anticuerpos neutralizantes. Existen dos arquitecturas principales: cilíndrica (simetría helicoidal) y esférica (simetría icosaédrica o cúbica).

Arquitectura cilíndrica (helicoidal)

Una forma cilíndrica o helicoidal es la estructura más simple para una cápside o una nucleocápside. El primer virus que se cristalizó y se estudió en detalle fue un virus de plantas llamado el virus del mosaico del tabaco (TMV, tobacco mosaic virus). La cápside del TMV está conformada como una varilla o un cilindro, con el genoma de RNA enrollado en una hélice en su interior. La cápside está compuesta de múltiples copias de una clase única de subunidad proteínica dispuesta en una hélice compacta, que coloca cada subunidad en el mismo microambiente. Debido a la disposición helicoidal de las subunidades, a menudo se dice que los virus que tienen este tipo de diseño tienen simetría helicoidal. Es probable que la estructura de los virus de humanos con simetría helicoidal siga el mismo patrón general que el del TMV. De este modo, las nucleocápsides del virus de la influenza, el virus parainfluenza, el virus del sarampión, el virus de la parotiditis, coronavirus, virus ébola y virus de la rabia probablemente están construidas con una disposición helicoidal (figura 6–2, en medio) de subunidades proteínicas en estrecha asociación con el genoma de ácido nucleico.

Arquitectura esférica (icosaédrica)

De manera similar, la construcción de un virus de forma esférica (icosaedro) implica el empaquetamiento de muchas subunidades idénticas, pero en este caso, las subunidades se colocan en la superficie de un sólido geométrico denominado icosaedro. Un icosaedro tiene 12 vértices, 30 lados y 20 facetas triangulares (figura 6–5). Debido a que el icosaedro pertenece al grupo de simetría que los cristalógrafos denominan cúbico (no en una forma de cubo), se dice que los virus de forma esférica tienen simetría cúbica, y se les conoce de manera general como cápside icosahédrica.

Al observarse en un microscopio electrónico, muchos virus con cápside desnuda y algunas nucleocápsides aparecen como partículas esféricas con una topología superficial que los hace ver como si estuviesen compuestos de subunidades idénticas en forma de pelotas (figura 6–3B y E). Estas estructuras visibles se denominan subunidades morfológicas o capsómeros. Por lo general, un capsómero está compuesto de cinco o seis moléculas individuales de proteína, cada una denominada subunidad estructural o protómero. En el virus más sencillo con simetría cúbica, se colocan cinco protómeros en cada uno de los 12 vértices del icosaedro como se muestra en la figura 6–4 a fin de formar un capsómero llamado pentámero. En este caso, la cápside está compuesta de 12 pentámeros o de un total de 60 protómeros. Observe que, en el caso de la simetría helicoidal, esta disposición coloca a cada protómero en el mismo microambiente que cada uno de los demás protómeros.

A fin de adaptarse a la cavidad más amplia que requieren los virus con genomas de mayor tamaño, las cápsides contienen muchos más protómeros. Estos virus se basan en una variación del icosaedro básico donde la construcción implica una mezcla de pentámeros y hexámeros más que de sólo pentámeros. Una descripción detallada de este nivel superior de estructura viral se encuentra más allá del alcance del presente texto. En la figura 6–5 se muestran ejemplos de cápsides icosaédricas.

Estructuras de superficie especiales

Muchos virus tienen estructuras que sobresalen desde la superficie del virión, por lo general conocidas como espigas o peplómeros. En la mayor parte de los casos, estas estructuras son importantes para los dos pasos más tempranos de la infección: adsorción y penetración. El ejemplo más notable de ese tipo de estructura es la cola de algunos bacteriófagos que actúa como un canal para la transferencia del genoma hacia la célula bacteriana. Otros ejemplos de las estructuras de la superficie incluyen las espinas o espículas del adenovirus (figura 6–3E) y las espinas de glucoproteína que se encuentran en la membrana de los virus con envoltura (véase el virus de la influenza en la figura 6–3D). Es casi seguro que incluso los virus sin extensiones superficiales evidentes contengan proyecciones cortas que, al igual que las espinas más evidentes, estén implicadas en la unión específica del virus a la superficie celular.

Estructura de la envoltura

Muchos virus humanos contienen una membrana externa de lípidos de dos capas que se deriva de las membranas celulares, principalmente de la membrana plasmática, pero también, en algunos casos, de las membranas citoplásmicas o nucleares. La capa de lípidos de la envoltura de la membrana viral contiene glucoproteínas llamadas “espinas”, “peplómeros” o “proteínas de envoltura viral”. Las espinas de la cubierta se unen al receptor de las células hospedadoras, ayudan a la membrana de la cubierta del virus a fusionarse con la membrana celular de las células hospedadoras y actúan como antígeno principal contra el cual el hospedador organiza la respuesta inmunitaria para el reconocimiento del virus. Los virus con envoltura contienen otra proteína, la proteína matriz, que funge como puente entre la nucleocápside y la membrana interna de la envoltura (figura 6–2). En la figura 6–6 se muestran ejemplos de virus con envoltura con simetría tanto helicoidal (figura 6–6A y B) como icosahédrica o cúbica (figura 6–6C y D).

Los virus con envoltura son más sensibles a los detergentes, solventes, etanol, éter y calor si se comparan con los virus desnudos (con cápside desnuda), cuya capa externa es una cápside proteica. Tanto las glucoproteínas de la envoltura como las espículas de los virus con cápside desnuda se convierten en antígenos después de la infección y el hospedador monta respuestas inmunes tanto mediadas por la célula como humorales para la eliminación de las células infectadas por el virus y de los virus no unidos a células, respectivamente. Estos antígenos determinan los serotipos virales basados en la variación antigénica y son tipoespecíficos como los serotipos 1, 2 y 3 de poliovirus. Los serotipos virales tienen reactividad cruzada pero, a menudo, poca protección cruzada. Los serotipos virales surgen a causa de las variaciones antigénicas que permiten que los virus escapen de la respuesta inmune preexistente.

La clasificación de los virus ha avanzado a un menor ritmo que la de otros microorganismos. El International Committee for Taxonomy of Viruses (ICTV; Comité Internacional de Taxonomía de los Virus) tomó en cuenta diversas propiedades, incluyendo viriones, genoma, proteínas, envoltura, replicación y propiedades físicas y biológicas. Con base en estas propiedades, las familias virales se designan con el sufijo -viridae (como en el caso de Herpesviridae), las subfamilias virales con el sufijo -virinae (Herpesvirinae), los géneros virales con el sufijo -virus (Herpesvirus) y las especies de virus se designan según el tipo viral (virus del herpes simple 1). Los cuadros 6–1 y 6–2 presentan un esquema de clasificación para virus humanos RNA y DNA, respectivamente, que se basa de manera exclusiva en su estructura. Los virus están dispuestos en orden creciente de magnitud genómica. Es importante tener en mente que no se pueden inferir relaciones filogenéticas a partir de este esquema taxonómico. Los cuadros no deben memorizarse sino, más bien, utilizarse como guías de referencia para la estructura viral. En general, los virus con estructuras similares exhiben estrategias similares de replicación, como se discute adelante.

En el cuadro 6–3 se listan los bacteriófagos representativos e importantes junto con sus propiedades. En capítulos posteriores, las propiedades de los ampliamente estudiados bacteriófagos temperados, λ, se describen para ejemplificar las estrategias de replicación del β fago de Corynebacterium diphtheriae, que tiene mayor importancia médica, pero que no se ha estudiado con tanto detalle.

Replicación viral

El ciclo de replicación viral en forma típica consiste en seis fases discretas: 1) adsorción o unión con la célula hospedadora, 2) penetración o ingreso, 3) denudación o desenvoltura para liberar el genoma, 4) producción de componentes sintéticos o del virión, 5) ensamblaje y 6) liberación de la célula. Estas fases se muestran en un esquema general del ciclo de replicación viral en la figura 6–7.

Esta serie de sucesos, a veces con ligeras variaciones, describe lo que se denomina respuesta productiva o lítica; sin embargo, éste no es el único desenlace posible de una infección viral. Algunos virus también pueden entrar en un tipo muy distinto de relación con la célula hospedadora en la que no se produce virus nuevo alguno, la célula sobrevive y se divide, y el material genético viral persiste en un estado latente de forma indefinida. Este desenlace de la infección se conoce como respuesta no productiva. En el caso de los bacteriófagos, la respuesta no productiva se conoce como lisogenia y en diversos virus humanos y animales puede asociarse, bajo ciertas circunstancias, con una transformación oncogénica. (Este uso del término transformación debe distinguirse de la transformación del DNA de las bacterias que se considera en el capítulo 21).

Algunos virus también pueden causar una infección crónica en la que se producen bajos niveles del virus con poco o ningún daño al tejido meta. Tanto la infección latente como la crónica se denominan infecciones persistentes. La replicación viral también depende de la interacción virus-célula hospedadora, lo que depende del tipo de célula que se infecte; ya sean células permisivas o no permisivas. Las células permisivas son aquellas que permiten la producción de partículas virales progenie, de transformación viral o de ambas, en tanto que las células no permisivas impiden la replicación viral, pero es posible que permitan la transformación viral. Algunos virus ingresan en células que no sustentan la replicación viral, pero algunas proteínas virales iniciales ocasionan la muerte celular; esta infección se denomina infección abortiva.

El desenlace de una infección depende de la combinación particular virus-hospedador y de otros factores como el ambiente extracelular, la multiplicidad de la infección y la fisiología y estado de desarrollo de la célula. Los virus que sólo pueden entrar en una relación productiva se denominan virus líticos o virulentos. Los virus que pueden establecer una relación productiva o improductiva con sus células hospedadoras se llaman virus temperados. Es posible reactivar o “inducir” a algunos virus temperados para que abandonen el estado latente e inicien una respuesta productiva. El que la inducción suceda depende de la combinación específica virus-hospedador, de la fisiología de la célula y de la presencia de estímulos extracelulares.

Los virus por lo general se propagan en laboratorio mezclando los virus con células susceptibles e incubando las células infectadas hasta que se produce la lisis. Después de ésta, se eliminan las células y el sedimento celular mediante una breve centrifugación y se analiza el sobrenadante generado, denominado lisado.

El desarrollo de virus humanos requiere que las células hospedadoras se cultiven en el laboratorio, primordialmente en líneas celulares humanas o animales (células derivadas de tumores o células transformadas por virus) y, en algunos casos, de células primarias obtenidas de tejidos. A fin de preparar a las células para su propagación in vitro, se toma el tejido de un animal y se disgregan las células por medio de la enzima proteolítica tripsina. La suspensión celular se siembra en una caja de Petri de plástico sobre un medio que contiene una mezcla compleja de aminoácidos, vitaminas, minerales y azúcares. Además de estos factores nutritivos, el cultivo de células animales requiere de componentes presentes en el suero animal; este método de propagación celular se conoce como cultivo de tejido y la población celular inicial se denomina cultivo primario. Las células se adhieren al fondo de la caja de plástico y permanecen adheridas a medida que se dividen y, a la larga, cubren la superficie de la caja. Por lo general, cuando el cultivo llega a un estado de superpoblación, las células dejan de dividirse y entran en un estado de reposo. La propagación puede continuarse al retirar de las células de la caja del cultivo primario, disgregarlas con tripsina y sembrar un cultivo nuevo.

Células tomadas de un tejido normal (en contraposición con canceroso) por lo general pueden propagarse de esta manera por tiempo indefinido. Finalmente, casi todas las células mueren; algunas pueden sobrevivir, y estas sobrevivientes a menudo se desarrollan hacia una línea celular permanente. Las líneas de células también pueden generarse directamente a partir de tumores o a partir de células transformadas por virus. Estas líneas celulares son de gran utilidad como células hospedadoras para el aislamiento y estudio de virus dentro del laboratorio, pero rara vez se asemejan mucho al tejido del cual se originaron. Cuando se toman células de un tumor y se cultivan in vitro, exhiben un conjunto muy distinto de propiedades del desarrollo, incluyendo supervivencia a largo plazo, lo que refleja su fenotipo tumoral.

Cuando un virus se propaga en células de cultivo de tejido, los cambios celulares inducidos por el virus, y que normalmente culminan con la muerte de las células, a menudo son característicos de un organismo específico y se conocen como el efecto citopático del virus.

Los virus se cuantifican mediante un método denominado recuento en placa (véase Recuento en placa bajo cuantificación de virus para una descripción detallada de este método). En resumen, los virus se mezclan con células en una caja de Petri para que cada partícula infecciosa dé lugar a una zona de células lisadas o muertas denominada placa. A partir del número de placas en la caja se calcula el volumen de partículas infecciosas en el lisado. Los valores virales se expresan como el número de unidades formadoras de placa por mililitro (ufp/mL).

El propósito de un experimento de crecimiento de un paso es entender diversas etapas de infección viral. Para describir una infección en términos temporales y cuantitativos es útil efectuar un experimento de crecimiento de un paso (figura 6–8). El objetivo de dicho experimento es infectar a cada célula en un cultivo de modo que la población completa pasa por el proceso de infección en forma sincronizada. La proporción de unidades de formación de placas a células se conoce como multiplicidad de infección (MOI, multiplicity of infection). Al infectar a una MOI elevada (p. ej., 10, como en la figura 6–8) se puede tener la certeza de que cada célula se encuentra infectada.

El curso temporal y la eficiencia de adsorción se pueden supervisar de acuerdo con la pérdida del virus infeccioso del medio después de la eliminación de las células (línea azul en la figura 6–8). En el ejemplo que se muestra, la adsorción se lleva cerca de 30 minutos y se adsorbe todo el virus a excepción de 1%. Si se tratan las muestras del cultivo que contienen las células infectadas de modo que se rompan las células antes de hacer un análisis de los virus (línea roja en la figura 6–8) se observa que el virus infeccioso desaparece de inicio, porque no hay partículas infecciosas detectables por encima del fondo del virus no adsorbido. El periodo de infección en el que no se encuentran virus infecciosos en el interior de la célula se denomina fase de eclipse y enfatiza que los viriones originales pierden su infectividad poco después de su entrada. La infectividad se pierde porque, como se discute más adelante, las partículas virales se desmantelan como preludio a su reproducción. Más adelante, las partículas virales infecciosas aparecen con rapidez en números crecientes y se detectan en el interior de la célula justo antes de su liberación al ambiente (figura 6–8). El periodo desde el inicio de la infección hasta que se encuentran viriones progenie fuera de las células se conoce como fase de latencia. La fase de latencia va de 20 minutos a algunas horas, en el caso de los bacteriófagos, y de unas cuantas horas hasta varios días en el caso de virus humanos.

De manera típica, el momento de la infección en el que se inicia la replicación del genoma se utiliza para dividir a la infección en fases inicial y tardía. La expresión genética viral inicial se encuentra limitada, en términos generales, a la producción de las proteínas que se requieren para la replicación del genoma; más adelante, las proteínas sintetizadas son primordialmente aquellas que se necesitan para la construcción de las nuevas partículas virales.

El número promedio de unidades de formación de placas por célula infectada se conoce como tamaño de estallido de la infección. En el ejemplo que se muestra, el tamaño de estallido es de cerca de 1000. Los tamaños de estallido varían de menos de 10 para algunas infecciones relativamente ineficientes a millones para algunos virus altamente virulentos.

Adsorción o unión

El paso inicial en cada infección viral es la unión o adsorción de la partícula viral infectante con la superficie de la célula hospedadora. Un prerrequisito para esta interacción es una colisión entre el virión y la célula. Los virus no tienen capacidad de locomoción, de modo que el suceso de la colisión es sencillamente un proceso aleatorio determinado por la difusión. Así, como en cualquier reacción bimolecular, la tasa de adsorción se encuentra determinada por las concentraciones tanto de viriones como de células.

Sólo un pequeño porcentaje de las colisiones entre un virus y su célula hospedadora conducen a una infección exitosa porque la adsorción es una reacción altamente específica que involucra las moléculas de proteína en la superficie del virión, llamadas proteínas de unión del virión o espinas y ciertas moléculas en la superficie de la célula, denominadas receptores. De manera típica, existen de 10⁴ a 10⁵ receptores en la superficie celular. Los receptores para ciertos bacteriófagos se encuentran en los pelos de las bacterias, aunque la mayoría se adsorbe con receptores que se encuentran en la pared celular bacteriana. Por lo general, los receptores de los virus humanos son glucoproteínas localizadas en la membrana plasmática de la célula. El cuadro 6–4 lista algunos de los receptores que se han identificado en el caso de algunos virus de relevancia médica. Parecería que los virus han evolucionado para utilizar como receptores a una amplia variedad de moléculas superficiales que normalmente funcionan como dispositivos de señalización o componentes del sistema inmunitario. Cualquier intento por diseñar fármacos que bloqueen la infección viral mediante la unión con sus receptores durante un largo tiempo debe tomar en cuenta la posibilidad de que la pérdida de función celular normal asociada con dichos receptores tendría graves consecuencias para el organismo hospedador.

Para algunos virus, dos moléculas de superficie diferentes, llamadas correceptores, están involucradas en la adsorción. Si bien originalmente se creyó que CD4 es el único receptor para el virus de la inmunodeficiencia humana tipo 1 (HIV-1), el descubrimiento de una familia de correceptores que en circunstancias normales funcionan como receptores de quimiocina (CCR5 y CXCR4) tal vez explique por qué en algunos individuos que tienen formas variantes (Δ32CCR5) de estas moléculas señalizadoras se encuentra resistencia natural contra el virus (capítulo 18). Si bien los receptores para algunos virus del ser humano, como los virus de la influenza, están presentes en células pulmonares, estos receptores también se encuentran en los eritrocitos de ciertas especies, de los cuales dependen los fenómenos de hemaglutinación y hemadsorción que se comentan más adelante.

Las proteínas de unión de los viriones a menudo se asocian con características conspicuas de la superficie del virión. Por ejemplo, las proteínas de unión viral para los bacteriófagos con cola se localizan justo al final de las colas o de las fibras de éstas. Del mismo modo, las espículas que se encuentran en los adenovirus (figura 6–3E) y en casi todos los demás virus humanos con envoltura (figura 6–3D) contienen las proteínas de unión del virión.

En algunos casos, una región de la proteína de la cápside funge como proteína de unión. En el caso de los poliovirus, rinovirus y probablemente de otros picornavirus, la región de la cápside que se une con el receptor se encuentra al fondo de una hendidura o depresión (cañón) demasiado estrecha para permitir acceso a los anticuerpos. Esta disposición particular es evidentemente ventajosa para el virus, ya que evita la producción de anticuerpos que pudiesen bloquear el reconocimiento del receptor en forma directa.

Es muy probable que la estructura repetitiva de subunidades de las cápsides y la multiplicidad de espinas en los virus con envoltura sean importantes en la determinación de la fortaleza de la unión del virus con la célula. La unión entre una sola proteína de unión viral y una sola proteína receptora es relativamente débil, pero la combinación de una multiplicidad de uniones de este tipo conduce a una fuerte adherencia entre el virión y la célula. Es posible que la naturaleza fluida de la membrana celular humana facilite el movimiento de las proteínas receptoras que permita la agrupación necesaria para estas múltiples interacciones.

Un tipo específico de virus es capaz de infectar sólo a un espectro limitado de tipos celulares que se conoce como su rango de hospedadores. Así, aunque unos cuantos virus pueden infectar células de especies distintas, la mayoría de los virus está limitada a una sola especie; por ejemplo, los perros no contraen el sarampión y los humanos no contraen moquillo. En muchos casos, los virus humanos infectan sólo a un subconjunto específico de células que se encuentra en el organismo hospedador. Es evidente que este tipo de tropismo hístico es un determinante esencial de la patogénesis viral. En la mayoría de los casos estudiados, el rango de hospedadores específico de un virus y su tropismo hístico asociado se determinan al nivel de la unión entre los receptores celulares y las proteínas de unión del virión. Así, estos dos componentes proteicos deben poseer superficies complementarias que se acoplen entre sí de manera muy similar a aquella en la que un sustrato se acopla con el sitio activo de una enzima. A esto sigue que la adsorción sólo sucede en ese porcentaje de colisiones que conduce a la unión exitosa entre receptores y proteínas de unión y que la incapacidad de un virus de infectar a un tipo de célula se debe, por lo general, a la ausencia de receptores apropiados en dicha célula. Se conocen algunos casos en que el rango de hospedadores de un virus se determina en el paso posterior a la adsorción y penetración, pero éstos son la excepción más que la regla.

Una vez que la partícula viral ha penetrado al interior de la célula, se encuentra, en esencia, oculta del sistema inmune del hospedador. Por ende, si la protección de una infección viral ha de lograrse al nivel de la unión de anticuerpos con viriones, debe suceder antes de la adsorción para evitar que el virus se adhiera y penetre la célula. Debido a lo anterior, no es de sorprender que la mayoría de los anticuerpos neutralizantes, sea que se adquieran como resultado de una infección natural o por vacunación, sean específicos para las proteínas de unión del virión.

La desaparición de los virus infecciosos durante la fase de eclipse es consecuencia directa del desmantelamiento de los virus antes de su replicación. Como se considera más adelante en el texto, el paso de denudación o desenvoltura puede ser simultáneo a la entrada o puede ocurrir en una serie de pasos. En última instancia, la nucleocápside o estructura nuclear deben transportarse al sitio o compartimiento dentro de la célula donde habrán de ocurrir la transcripción y la replicación.

Estrategia del bacteriófago

Los procesos de penetración y de eliminación de la cubierta son simultáneos para todos los bacteriófagos. De este modo, las cápsides virales se desprenden en la superficie, y sólo el genoma de ácido nucleico entra a la célula. En algunos casos, un pequeño número de proteínas del virión puede acompañar al genoma hacia la célula, pero estas proteínas probablemente están estrechamente asociadas con el ácido nucleico, o son enzimas esenciales necesarias para iniciar la infección.

Los bacteriófagos con colas se encargan de la fijación del virión a la pared de la célula bacteriana para facilitar la entrada del genoma a la célula. El DNA del bacteriófago se inyecta desde la cabeza directamente a la célula a través de la estructura hueca de la cola. El proceso se ha comparado a la acción de una jeringa.

Virus humanos con envoltura

Existen dos mecanismos básicos para el ingreso de un virus humano con envoltura a la célula. Ambos mecanismos implican la fusión de la envoltura viral con la membrana celular y, en ambos casos, el resultado final es la liberación de la nucleocápside libre al interior del citoplasma. Lo que distingue a ambos mecanismos es la naturaleza de la membrana celular que se fusiona con la envoltura viral.

Los paramixovirus (p. ej., sarampión), algunos retrovirus (p. ej., HIV-1) y los herpesvirus ingresan a través de un proceso denominado fusión directa (figura 6–9). Las envolturas de estos virus contienen espinas proteicas que promueven la fusión de la membrana viral con la membrana plasmática de la célula, liberando a la nucleocápside directamente al interior del citoplasma. Debido a que la envoltura viral se incorpora a la membrana plasmática de la célula infectada y aún posee sus proteínas de fusión, las células infectadas tienden a fusionarse con otras células no infectadas. La fusión entre células es una característica distintiva de las infecciones por paramixovirus y HIV-1, y puede ser de importancia en la patología de enfermedades como sarampión, virus sincitial respiratorio (RSV) que induce bronquiolitis y síndrome de inmunodeficiencia adquirida (sida).

El mecanismo de entrada para la mayoría de los virus animales con envoltura restantes, como los ortomixovirus (p. ej., virus de la influenza), togavirus (p. ej., virus de la rubéola), rhabdovirus (p. ej., rabia) y coronavirus, se muestra en la figura 6–10. Después de la adsorción, las partículas virales se incorporan por medio de un mecanismo celular denominado endocitosis mediada por receptores, que normalmente es responsable de la internalización de los factores de crecimiento, hormonas y algunos nutrientes. Cuando se trata de los virus, el proceso se conoce como viropexis.

En la viropexis, los viriones adsorbidos se ven rodeados por la membrana plasmática en una reacción probablemente facilitada por la multiplicidad de proteínas virales de unión en la superficie de la partícula. El estrangulamiento de la membrana plasmática a causa de la fusión encierra al virión en una vesícula citoplásmica conocida como vesícula endosómica (endosoma). En ese momento la nucleocápside se encuentra rodeada de dos membranas: la envoltura viral original y la membrana endosómica recién adquirida. Más tarde, los receptores superficiales se vuelven a reciclar en la membrana plasmática y la vesícula endosómica se acidifica a través del proceso celular normal. El bajo pH del endosoma conduce a un cambio de conformación en una proteína de espina viral, que provoca la fusión de ambas membranas y la liberación de la nucleocápside en el interior del citoplasma. En algunos casos, los contenidos de la vesícula endosómica se transfieren a un lisosoma antes del paso de fusión que libera a la nucleocápside.

Virus humanos con cápside desnuda

Los virus humanos con cápside desnuda, como los poliovirus, reovirus y adenovirus, también parecen ingresar a la célula mediante viropexis (figura 6–10). Sin embargo, en este caso, el virus no puede escapar de la membrana endosómica por la fusión entre membranas como se describió antes en el caso de algunos virus con envoltura. En el caso de los poliovirus, parece que las proteínas de la cápside viral en el ambiente de bajo pH del endosoma exponen dominios hidrofóbicos. Dicho proceso da por resultado la unión de los viriones con la membrana y la liberación del genoma de ácidos nucleicos al interior del citoplasma. En otros casos, es posible que los viriones escapen al citoplasma mediante una sencilla promoción de lisis de la vesícula. Este paso es un blanco potencial para la quimioterapia antiviral y se han desarrollado algunos fármacos que se unen con las cápsides de los picornavirus y que evitan la liberación de las partículas virales del endosoma.

Los reovirus son inusuales en cuanto a que antes de liberarse al interior del citoplasma, los contenidos del endosoma se transfieren a un lisosoma donde la proteasa lisosómica desgaja parte de las proteínas de la cápside y activa enzimas asociadas con el virión que se requieren para la transcripción.

La producción sintética o de virión es el paso más importante en el ciclo de replicación viral, porque el virus debe sintetizar mRNA, proteínas y genomas para el ensamble de la progenie o virus hijos. En el caso de los bacteriófagos, hay evidencia de que el ácido nucleico que está entrando debe dirigirse a un lugar particular de la célula bacteriana para iniciar el proceso de infección. Hay proteínas piloto que acompañan al genoma del bacteriófago a un sitio específico en la célula bacteriana, donde ocurren la transcripción y replicación.

Para virus de humanos, el destino final de las partículas de virus internalizadas depende del virus particular y del compartimiento celular donde ocurre la replicación. Casi todos los virus RNA se replican en el citoplasma —el sitio de entrada inmediato, con la excepción de los virus de la influenza y los retrovirus, que se replican en el núcleo―. Todos los virus DNA deben moverse desde el citoplasma hacia el núcleo para replicarse, excepto los poxvirus, que se replican en el citoplasma. Los virus DNA más grandes, como los herpesvirus y los adenovirus, deben perder la cubierta hasta el nivel de centros antes de entrar al núcleo. Los virus DNA más pequeños, como los parvovirus y virus del papiloma/polioma, entran al núcleo intactos a través de los poros nucleares, y después pierden la cubierta en el interior. Los más grandes de los virus del humano, los poxvirus, llevan a cabo su ciclo de replicación completo en el citoplasma de la célula infectada, porque sintetizan tanto RNA como DNA polimerasas.

De genoma a mRNA

Un paso esencial en toda infección viral es la producción de mRNA específicos del virus que programen a los ribosomas celulares para sintetizar las proteínas virales. Además de las proteínas estructurales del virión, los virus deben dirigir la síntesis de enzimas y otras proteínas especializadas que se requieren para la replicación genómica, la expresión genética y el ensamblado y liberación de los virus. La producción de los primeros mRNA virales al inicio de la infección es un paso esencial en el apoderamiento de la célula por parte del virus.

Para algunos virus, la presentación de mRNA a los ribosomas celulares no plantea problemas. De este modo, los genomas de casi todos los virus DNA se transcriben mediante la RNA polimerasa dependiente de DNA del huésped (RNA polimerasa II) en el núcleo para dar los mRNA virales que se exportan al citoplasma para traducción. Los virus RNA de cadena (+), como los picornavirus, togavirus, flavivirus, coronavirus, calicivirus y herpesvirus (virus de la hepatitis E) poseen genomas que pueden usarse directamente como mRNA y se traducen (al menos parcialmente, véase más adelante) de inmediato en el momento de la entrada al citoplasma de la célula. Una de estas proteínas virales es la RNA polimerasa dependiente de RNA (también conocida como RNA polimerasa o RNA transcriptasa viral) necesaria para sintetizar mRNA y RNA genómico nuevos.

Sin embargo, para muchos virus, la producción de mRNA comenzando a partir del genoma no es tan sencilla. El hecho de que los virus DNA, como los poxvirus, se replican en el citoplasma, significa que la RNA polimerasa celular no está disponible para transcribir el genoma de DNA viral. Más aún, no existe maquinaria celular que pueda usar RNA monocatenario o bicatenario como una plantilla para sintetizar mRNA. Por consiguiente, los poxvirus y los virus que usan una plantilla de RNA, en especial los virus RNA de cadena (-), como los rhabdovirus, ortomixovirus, paramixovirus y filovirus, para sintetizar mRNA deben proporcionar su propia maquinaria de transcripción para producir los mRNA virales al comienzo del proceso de infección. Esta proeza se logra al sintetizar las polimerasas o transcriptasas en las etapas más tardías del desarrollo viral en la célula huésped previa, y empacar las enzimas en los viriones, donde permanecen asociadas con el genoma a medida que el virus entra a la nueva célula y se deshace de su cubierta. En general, la presencia de polimerasa o transcriptasa en los viriones indica que la célula hospedadora no puede utilizar el genoma viral como mRNA o como plantilla para sintetizar mRNA. En momentos posteriores de la infección, cualquier maquinaria enzimática especial que requiera el virus y que no se encuentre presente de inicio en la célula puede proveerse entre las proteínas traducidas de las primeras moléculas de mRNA.

Las vías para la síntesis de mRNA por parte de los principales grupos virales se resumen en la figura 6–11 y se relacionan con la estructura del genoma viral. La polaridad del mRNA se designa como (+) y la polaridad de antisentido de las cadenas de polinucleótidos complementarios del mRNA como (–). Las flechas negras denotan los pasos de síntesis para los que las células hospedadoras proporcionan las enzimas necesarias, mientras que las flechas de color indican los pasos de la síntesis que deben llevar a cabo las enzimas codificadas por el virus. Deben enfatizarse varios puntos adicionales. Los parvovirus y algunos bacteriófagos contienen genomas de DNA de cadena única. Aunque la RNA polimerasa de la célula requiere del DNA de cadena doble como plantilla, estos virus no necesitan incluir enzimas especiales en sus viriones porque las DNA polimerasas de la célula hospedadora pueden convertir a los genomas de DNA de cadena única en DNA de hebra doble. Observe que la producción de más mRNA por parte de los picornavirus y otros virus RNA similares de cadena (+) requieren de la síntesis de una plantilla intermedia de RNA de cadena (–). La enzima que se requiere para este proceso se produce por la traducción del genoma de RNA al inicio de la infección denominado RNA polimerasa RNA-dependiente.

Los retrovirus son una clase especial de virus RNA de cadena (+). Aunque sus genomas tienen la misma polaridad que el mRNA y, en principio, podrían funcionar como mRNA poco después de la infección, su esquema de replicación aparentemente prohíbe que esto suceda. En lugar de ello, los genomas de RNA de estos virus se copian sobre las hebras (–) de DNA por una enzima transportada dentro del virión llamada transcriptasa inversa. Después, esta misma enzima convierte las hebras (–) de DNA en DNA de cadena doble en una reacción que requiere de la degradación del RNA genómico original por medio de la actividad RNasa H de la transcriptasa inversa. El producto DNA de la transcripción inversa se integra al DNA de la célula hospedadora y, a la larga, se transcribe por la RNA polimerasa del hospedador para completar el ciclo de replicación, así como para producir mRNA viral. La replicación del genoma DNA de la hepatitis B es mecánicamente similar a la de un retrovirus. Así, el DNA viral se transcribe para producir RNA de hebra única que, a su vez, se transcribe inversamente para producir DNA viral progenie que se encapsida en viriones.

La regla del mRNA monocistrónico en células humanas

El ribosoma requiere de una entrada de información en la forma de mRNA. Para que el ribosoma reconozca el mRNA viral, su producción debe conformarse a las reglas de estructura que gobiernan la síntesis de los mRNA celulares. El mRNA procariota es relativamente sencillo y puede ser policistrónico, lo que significa que puede contener la información para varias proteínas. Cada cistrón o región de codificación se traduce de manera independiente a partir de su propio sitio de unión ribosómica.

Los mRNA de células eucarióticas son estructuralmente más complejos; contienen fijaciones caperuza 5' y poli(A) 3' especiales. Además, su síntesis a menudo comprende la eliminación de secuencias internas (intrones), y unión de secuencias codificantes) (exones) mediante un proceso llamado empalme. Lo que es más importante, casi todos los mRNA eucarióticos son monocistrónicos, lo que significa que un mRNA codifica para una proteína. En consecuencia, la traducción eucariota se inicia mediante la unión de un ribosoma a la caperuza 5', seguido por movimiento del ribosoma a lo largo del RNA hasta que se encuentra el primer codón de inicio AUG. El resultado de esta regla del primer AUG es que, en términos generales, los ribosomas eucariotas, a diferencia de los ribosomas procariotas, no pueden iniciar la traducción en sitios internos de un mRNA. A fin de conformarse al mRNA monocistrónico, la mayoría de los virus humanos producen mRNA que se traducen para producir una sola cadena de polipéptidos (proteína) después de la iniciación cerca del extremo 5′ del mRNA.

Debido a que la mayoría de los virus DNA humanos se replican dentro del núcleo celular, acatan la regla del mRNA monocistrónico, ya sea al tener un promotor que preceda a cada gen o mediante la programación de la transcripción de RNA precursores que se procesen por enzimas nucleares de empalme al interior de los mRNA monocistrónicos (figura 6–12A). En apariencia, la transcriptasa o polimerasa viral de los poxvirus citoplásmicos debe sintetizar mRNA monocistrónicos por medio de la iniciación de la transcripción frente a cada gen.

Los virus del ser humano RNA han adquirido por evolución tres estrategias para sortear o conformarse a la regla del mRNA monocistrónico. La estrategia más simple comprende tener un genoma RNA segmentado (figura 6–12B). En su mayor parte, cada segmento de genoma de los ortomixovirus y los reovirus corresponde a un gen único; por consiguiente, el mrna transcrito a partir de un segmento dado constituye un mrna monocistrónico. A diferencia de casi todos los virus RNA, el ortomixovirus (virus de la influenza) se replica en el núcleo, y algunos de sus mRNA monocistrónicos se producen mediante empalme de RNA precursores por enzimas de la célula huésped. Más aún, los ortomixovirus usan fragmentos de RNA 5' pequeños derivados de los pre-mRNA de la célula huésped, que se encuentran en el núcleo, para preparar la síntesis de sus propios mRNA. Sin embargo, la síntesis de mRNA y RNA genómico se completa mediante la RNA polimerasa dependiente de RNA viral.

Una segunda solución para la regla del mRNA monocistrónico que se observa principalmente en virus RNA de cadena negativa que portan RNA polimerasa dependiente de RNA en su partícula de virus. Los virus RNA de cadena negativa, incluso paramixovirus, rhabdovirus, filovirus, buniavirus y arenavirus, y algunos virus RNA de cadena positiva, como los togavirus y los coronavirus, sintetizan mRNA monocistrónicos al iniciar la síntesis de cada mRNA al principio de un gen. En la mayor parte de los casos, la RNA polimerasa dependiente de RNA termina la síntesis de mRNA al final del gen, de modo que cada mensaje corresponde a un gen único (figura 6–12C). Para coronavirus y togavirus, el RNA de cadena positiva inicialmente es traducido para sintetizar RNA polimerasa dependiente de RNA, que transcribe RNA de cadena positiva hacia un RNA de cadena negativa intermedio que se usa como una plantilla para la síntesis de RNA. La síntesis de RNA es iniciada en la plantilla intermedia de RNA de cadena negativa al principio de cada gen, y continúa hasta el final del genoma, de modo que se produce un grupo amidado de mRNA. Cada mRNA es funcionalmente monocistrónico, y es traducido para producir sólo la proteína codificada cerca de su extremo 5´.

Los virus RNA de cadena positiva, como los picornavirus y los flavivirus, han adquirido por evolución aun una tercera estrategia para lidiar con el requisito de mRNA monocistrónico (figura 6–12D). El genoma de cadena (+) contiene sólo un sitio de unión a ribosoma único cerca del extremo 5´. Se traduce hacia una cadena polipeptídica larga llamada poliproteína, que después es desdoblada hacia el juego final de productos proteínicos por una serie de divisiones proteolíticas. Casi todas las actividades de proteasa requeridas residen dentro de la proteína misma.

Diversos virus utilizan más de una de estas estrategias para acatar la regla del mRNA monocistrónico; por ejemplo, los retrovirus, togavirus, arenavirus y bunyavirus sintetizan múltiples mRNA, cada uno de los cuales codifica una poliproteína que después se fragmenta en moléculas proteicas individuales. En el caso de algunos virus, como los retrovirus (HIV) y los flavivirus (HCV), la enzima proteasa viral que divide la poliproteína puede ser inhibida por potentes antivirales (inhibidores de proteasa) en pacientes infectados.

Virus DNA

Las células hospedadoras contienen las enzimas y proteínas accesorias que se requieren para la replicación del DNA. En las bacterias, estas proteínas están continuamente presentes, mientras que en la célula eucariota sólo se encuentran presentes durante la fase S del ciclo celular y se restringen al núcleo. El grado al que los virus utilizan la maquinaria de replicación celular depende de su potencial de codificación proteica y, por ende, del tamaño de su genoma.

Los más pequeños de los virus DNA, los parvovirus, dependen de manera tan absoluta de la maquinaria hospedadora que necesitan que las células infectadas se dividan a fin de que se presente una fase S normal que replique el DNA viral junto con el DNA celular. Al otro extremo del espectro se encuentran los virus DNA de gran tamaño, que son relativamente independientes de las funciones celulares. Los bacteriófagos de mayor tamaño, como el T4, degradan el cromosoma de la célula hospedadora (bacteriana) a inicios de la infección y reemplazan toda la maquinaria de replicación de la célula hospedadora con proteínas especificadas bacteriofágicas. En forma similar, los virus humanos más grandes, los poxvirus, también son independientes del hospedador. Debido a que se replican en el citoplasma, deben codificar casi todas las enzimas y otras proteínas que necesitan para la replicación de su DNA.

Los virus DNA restantes sólo dependen de la maquinaria hospedadora de manera parcial. Por ejemplo, los bacteriófagos φX174 y λ codifican proteínas que dirigen la iniciación de la síntesis de DNA al origen viral. Sin embargo, la síntesis de DNA propiamente dicha sucede mediante el complejo de enzimas celulares responsables de la replicación del DNA de Escherichia coli. De manera similar, los virus humanos de menor tamaño, como los poliomavirus y papilomavirus (antes llamados papovavirus), codifican una proteína involucrada en la iniciación de la síntesis en el origen, pero el resto del proceso de replicación lo lleva a cabo la maquinaria del hospedador. Los adenovirus y herpesvirus, algo más complejos, además de proveer proteínas específicas en el origen, también codifican sus propias DNA polimerasas y otras proteínas accesorias que se requieren para la replicación del DNA.

El hecho de que los herpesvirus codifican para su propia DNA polimerasa tiene importantes implicaciones para el tratamiento de infecciones por estos virus, e ilustra un principio fundamental de la quimioterapia antiviral. Ciertos fármacos antivirales, como el aciclovir (acicloguanosina), matan preferentemente células infectadas por herpesvirus porque la timidina cinasa viral, a diferencia del homólogo celular, fosforila el análogo nucleósido, y lo convierte en una forma que inhibe la síntesis de DNA adicional cuando las DNA polimerasas lo incorporan hacia el DNA. La enzima de la célula hospedera discrimina más y no fosforila el análogo de aciclovir y no inhibe la síntesis de DNA celular; así, este fármaco no mata células no infectadas. Se aplica un principio similar a los fármacos terminadores de cadena, como la zidovudina (ZDV o AZT) y la didesoxiinosina (ddI) que son fosforilados por la cinasa celular y no sólo se dirigen a la transcriptasa inversa del HIV-1, sino que también inhiben hasta cierto grado la DNA polimerasa celular. En principio, cualquier proceso viral que es distinto de un proceso celular normal es un blanco potencial para fármacos antivirales, como los inhibidores de la proteasa e integrasa de HIV y los inhibidores de la proteasa y polimerasa de HCV. A medida que se abunde en el conocimiento acerca de los detalles de la replicación viral, más fármacos antivirales quedarán disponibles, dirigidos a estos procesos virales singulares.

Como ya se señaló, a excepción de los poxvirus, todos los virus DNA humanos dependen al menos de forma parcial de la maquinaria de la célula hospedadora para la replicación de sus genomas. Sin embargo, a diferencia de los parvovirus, los demás virus DNA no necesitan infectar células en división para que resulte una infección productiva. En lugar de esto, todos estos virus codifican una proteína que se expresa al inicio de la infección y que induce un ciclo no programado de replicación del DNA celular (fase S). De esta forma, los virus garantizan que la célula infectada produzca toda la maquinaria necesaria para la replicación de su propio DNA. Es digno de mención que todos los virus DNA, a excepción de los parvovirus, en ciertas circunstancias, son capaces de transformar una célula normal en una célula cancerosa o anormal. Esta correlación sugiere que la capacidad proliferativa ilimitada de las células cancerosas se puede deber a la síntesis continua de la(s) proteína(s) viral(es) responsable(s) de inducir una fase S no programada en una infección normal. El hecho de que estos virus DNA puedan inducir la transformación oncogénica de tipos celulares no permisivos para la multiplicación viral posiblemente sea no más que un accidente relacionado con la necesidad de inducir las enzimas celulares requeridas para la replicación del DNA durante la infección lítica.

Todas las DNA polimerasas, incluyendo aquellas codificadas por los virus, sintetizan cadenas de DNA a través de la adición sucesiva de nucleótidos al extremo 3´ de la nueva hebra de DNA. Además, todas las DNA polimerasas requieren de un terminal del cebador que contenga 3´-hidroxilo a fin de iniciar la síntesis de una cadena de DNA. En la replicación celular se proporciona un cebador temporal en la forma de una molécula corta de RNA. Dicho cebador (RNA) está sintetizado por una RNA polimerasa y se elimina después de la elongación por parte de la DNA polimerasa. En el caso de cromosomas circulares, como los que se encuentran en las bacterias y en muchos virus, el crecimiento unidireccional de la cadena y el requisito del cebador para la DNA polimerasa no representan un problema estructural para la replicación. Sin embargo, como se muestra en la figura 6–13, cuando una horquilla de replicación se encuentra con el extremo de una molécula lineal de DNA, una de las nuevas cadenas (líneas gruesas) no puede completarse a su extremo 5´ porque no hay manera de iniciar la porción DNA de la cadena exactamente al final de la plantilla de DNA. Así, después de eliminado el cebador de RNA, la nueva cadena se encuentra incompleta en su extremo 5´. La limitación de la finalización de las cadenas de DNA en una plantilla lineal se denomina problema de la terminación de la replicación del DNA. Algunas células eucariotas añaden pequeñas secuencias repetitivas a los extremos de los cromosomas utilizando una enzima conocida como telomerasa a fin de evitar el acortamiento del DNA con cada ronda sucesiva de replicación.

Un número de virus se enfrentan al problema de la terminación durante la replicación de sus genomas lineales, pero ninguno utiliza la telomerasa celular para sintetizar extremos de DNA. No compete al alcance del presente texto detallar todas las estrategias que los virus han desarrollado a fin de lidiar con el problema de la terminación, pero vale la pena mencionar algunas de las características estructurales que se encuentran en los genomas lineales virales cuya presencia se relaciona con las soluciones al problema de la terminación; dichas estructuras se diagraman de manera esquemática en la figura 6–14. El genoma lineal de doble cadena del bacteriófago λ posee extensiones de cadena única de 12 pb que son complementarias en secuencia entre sí y que, por ende, se denominan extremos cohesivos. Muy poco después de ingresar en el interior de la célula, los dos extremos se aparean para convertir el genoma lineal en una molécula circular a fin de evitar el problema de la terminación en la replicación. El genoma del adenovirus de cadena doble contiene una molécula de proteína unida de manera covalente al extremo 5′ de ambas cadenas. Estas proteínas proporcionan los cebadores requeridos para iniciar la síntesis de cadenas de DNA durante la replicación, eludiendo la necesidad de cebadores de RNA y resolviendo así el problema final en la replicación. El genoma de cadena única del parvovirus contiene una secuencia autocomplementaria en el extremo 3′, lo que ocasiona que la molécula se doble sobre sí misma, como una horquilla para pelo, y hace que se cebe a sí misma para la replicación del DNA. Los poxvirus contienen genomas lineales de doble cadena con extremos continuos. En los genomas de los parvovirus y los poxvirus, las soluciones al problema de la terminación crean problemas adicionales que necesitan resolverse a fin de producir los productos de replicación que sean idénticos a los genomas iniciales.

Virus RNA

Debido a que las funciones nucleares están primordialmente diseñadas para un metabolismo de DNA, los virus RNA se replican principalmente en el citoplasma. Además, las células no contienen las RNA polimerasas que pueden copiar las plantillas de RNA (transcripción o replicación del RNA basada en RNA). Por ende, los virus RNA no sólo necesitan codificar transcriptasas o polimerasas (que se requieren para la transcripción), como ya se comentó, sino que tienen que proporcionar las replicasas o polimerasas que se requieren para duplicar el genoma de RNA en los genomas de RNA de su progenie. No sólo eso, a excepción de los casos de los picornavirus, en los que la transcripción y la replicación son sinónimas, los virus de RNA deben separar temporal y funcionalmente la transcripción de la replicación. Así, el requisito es especialmente evidente en el caso de los rhabdovirus, paramixovirus, togavirus y coronavirus, en los que un genoma completo, o copia complementaria del genoma, se transcribe a un conjunto de mRNA monocistrónicos de tamaño pequeño a inicios de la infección. Después de que se inicia la replicación, estas mismas plantillas se utilizan para sintetizar las hebras de tamaño completo para la replicación.

Existen dos mecanismos que separan el proceso de la transcripción del de la replicación. Primero, en algunos casos, la transcripción se restringe a partículas subvirales e implica una transcriptasa que se transporta al interior de la célula dentro del virión. Segundo, en otros casos, el proceso de replicación implica ya sea una RNA polimerasa funcionalmente diferente o depende de la presencia de alguna otra proteína accesoria específica del virus que dirige la síntesis de las copias completas de la plantilla más que de los mRNA monocistrónicos más cortos. En los reovirus, el cambio de transcripción a replicación parece involucrar la síntesis de una replicasa que convierte a los mRNA (+) sintetizados al inicio de la infección en segmentos genómicos de doble cadena.

Las RNA polimerasas virales, al igual que las DNA polimerasas, sintetizan las cadenas sólo en una dirección; sin embargo, en términos generales, las RNA polimerasas pueden iniciar la síntesis de cadenas nuevas sin necesidad de cebadores. Por ende, no existe un problema de la terminación evidente en la replicación del RNA. Hay una excepción a esta regla general. Los picornavirus contienen una proteína que está unida en forma covalente al extremo 5′ del genoma, que se denomina VPg. Esta proteína se encuentra presente en el RNA viral porque está involucrada en el cebado de los nuevos genomas RNA durante la infección, de manera similar al proceso que se describió antes para los adenovirus.

El proceso de encerrar el genoma viral en una proteína se denomina ensamblaje o encapsidación. Hay cuatro principios generales que gobiernan la construcción de las cápsides y nucleocápsides. Primero, el proceso por lo general implica el autoensamblaje de las partes componentes; segundo, el ensamblaje es paso a paso y ordenado; tercero, las subunidades estructurales proteicas o protómeros normalmente se preforman en capsómeros en preparación para el proceso final de ensamblaje; cuarto, el ensamblaje a menudo se inicia en un locus particular del genoma denominado sitio de empaquetamiento.

Virus con simetría helicoidal

El ensamble de manera helicoidal o cilíndrica de las nucleocápsides se ha estudiado extensamente en el CMV. En la asimetría helicoidal, se preforman discos en forma de dona que contienen varias subunidades estructurales individuales y se añaden paso a paso a la estructura en crecimiento. El alargamiento ocurre en ambas direcciones desde un sitio de empaque específico sobre el RNA viral monocatenario. La adición de cada disco implica una interacción entre las subunidades proteicas del disco y el genoma de RNA. La naturaleza de esta interacción es tal que el proceso de ensamblaje termina cuando se alcanzan los extremos del RNA. Las subunidades estructurales, así como el RNA, describen una trayectoria helicoidal en la partícula viral final. Las subunidades proteicas individuales están íntimamente asociadas con el RNA y que los complejos nucleoproteicos se ensamblen por la adición paso a paso de subunidades proteicas o de complejos de subunidades.

En el caso del virus de la influenza y de otros virus helicoidales con genomas segmentados, los diversos segmentos del genoma se ensamblan en las nucleocápsides de manera independiente y después se unen durante el ensamblaje del virión por un mecanismo que aún no se comprende del todo. Es notable que virtualmente todos los virus RNA humanos con simetría helicoidal cuenten con envolturas.

Virus con simetría icosaédrica o cúbica

Tanto para virus bacteriófagos y humanos, las cápsides icosaédricas normalmente se ensamblan con anterioridad y los genomas de ácidos nucleicos, normalmente mezclados en un complejo con proteínas de condensación, se introducen en las estructuras vacías. En apariencia, la construcción de las cápsides huecas sucede por un proceso de autoensamblaje, en ocasiones auxiliado por otras proteínas. El ensamblaje por pasos de los componentes implica la agregación inicial de subunidades estructurales en pentámeros y hexámeros, seguida de la condensación de estos capsómeros para formar la cápside hueca. En algunos casos, parece que un pequeño complejo de proteínas de cápside se asocia de manera específica con el genoma viral y ensambla la cápside completa alrededor del genoma, creando un núcleo.

Bacteriófagos

La mayoría de los bacteriófagos escapan de las células infectadas mediante la codificación de una o más enzimas que se sintetizan a finales de la fase de latencia y que ocasionan la lisis de la célula. Las enzimas son lisozimas o peptidasas que debilitan la pared celular mediante la fragmentación de uniones específicas en la capa de peptidoglucano. Las células dañadas explotan a causa de la presión osmótica.

MUERTE CELULAR

Casi todas las células que padecen de una infección productiva mueren (véase el texto que sigue para las excepciones), presuntamente porque el programa genético viral es dominante y prohíbe la continuación de las funcionas celulares normales que se requieren para su supervivencia. En muchos casos, la interferencia viral directa con los procesos metabólicos celulares normales conduce a la muerte celular. Por ejemplo, los picornavirus cancelan la síntesis de proteínas del hospedador poco después de la infección y muchos virus DNA humanos interfieren con los controles normales del ciclo celular. En muchos casos, el resultado final de estas agresiones es el desencadenamiento de una respuesta de estrés celular denominada muerte celular programada o apoptosis. Se sabe que algunos virus codifican proteínas que demoran o bloquean la apoptosis, probablemente para diferir la muerte de la célula hasta que se haya terminado el ciclo de replicación viral. A la larga, la lisis celular que acompaña la muerte de la célula es responsable de la liberación de los virus con cápside desnuda al ambiente.

GEMACIÓN

Casi todos los virus del humano con envoltura adquieren su membrana mediante gemación, sea a través de la membrana plasmática o, en el caso de los herpesvirus, a través de la membrana nuclear; no obstante, en algunos otros virus, como los coronavirus y los poxvirus, la gemación ocurre a través de membranas citoplasmáticas. Así, para estos virus, la liberación de la célula está acoplada a la etapa final del ensamblaje del virión. Los herpesvirus finalmente escapan de la célula cuando la membrana de la vesícula exocítica se fusiona con la membrana plasmática. Los poxvirus parecen programar la formación de las estructuras de membrana y adquirir membrana a partir del aparato de Golgi que se pierde en el momento de la liberación de los viriones con envoltura extracelular.

Los cambios de membrana que acompañan a la gemación parecen ser el exacto contrario del proceso de entrada descrito antes para aquellos virus que ingresan por fusión directa (compare la figura 6–9 con la figura 6–15). La región de la membrana celular donde ha de presentarse la gemación adquiere un agrupamiento de espículas virales de glucoproteína. Estas proteínas se sintetizan por la vía que normalmente transporta las proteínas de la membrana celular a la superficie de la célula a través del aparato de Golgi. En el sitio del agrupamiento de glucoproteínas, la parte interna de la membrana se cubre de una proteína estructural del virión llamada proteína matriz o M. Es probable que la acumulación de la proteína matriz en la localización adecuada se facilite por la presencia de un sitio de unión para la proteína matriz del lado citoplásmico de la espina de glucoproteína transmembrana. La proteína matriz trae la nucleocápside terminada, lo que desencadena el proceso de envoltura que conduce a la liberación de la partícula completa al exterior (figura 6–15).

En el caso de los virus que presentan gemación, es importante señalar que la membrana plasmática de la célula infectada contiene glucoproteínas especificadas por el virus que representan antígenos extraños (virales); esto significa que las células infectadas se convierten en objetivos para el sistema inmune. De hecho, los linfocitos T citotóxicos que reconocen estos antígenos pueden ser un factor significativo en el combate contra una infección viral.

El proceso de gemación viral inicial normalmente no conduce de manera directa a la muerte celular porque la membrana plasmática puede repararse después de la gemación. Es probable que, en el caso de los virus con envoltura, al igual que en el caso de los virus con cápside desnuda, la muerte celular se deba a la pérdida de funciones celulares normales necesarias para la supervivencia o a una apoptosis. A diferencia de la mayoría de los retrovirus que no matan a la célula hospedadora, el HIV-1 es citotóxico. Aunque no se comprende del todo el mecanismo de muerte celular provocado por el HIV-1, se cree que los factores como la acumulación de DNA viral en el citoplasma, los efectos tóxicos de algunas proteínas virales, las alteraciones en la permeabilidad de la membrana plasmática, apoptosis y la fusión entre células contribuyen al potencial citotóxico de este virus.

SUPERVIVENCIA CELULAR

En el caso de los retrovirus (a excepción del HIV-1 y otros lentivirus) y de los bacteriófagos filamentosos, la reproducción viral y la supervivencia celular son compatibles. Los retrovirus convierten su genoma de RNA en DNA de cadena doble, que se integra en el cromosoma de la célula hospedadora y se transcribe exactamente de la misma forma que cualquier otro gen celular (véase el capítulo 18). Así, el impacto sobre el metabolismo celular es mínimo. Más aún, hay gemación de estos retrovirus a través de la membrana plasmática sin daño permanente alguno de la célula (excepto en el caso del HIV). En este caso, se desconoce la manera en que la célula se libra de un daño permanente. Como con los retrovirus, la célula infectada continúa produciendo virus de manera indefinida.

CUANTIFICACIÓN DE VIRUS

Prueba de hemaglutinación

En el caso de algunos virus humanos, como el virus de la influenza, los eritrocitos de una o más especies animales contienen receptores para las proteínas de unión de los viriones. Debido a que los receptores y las proteínas de unión se encuentran presentes en copias múltiples en las células y viriones, respectivamente, un exceso de partículas virales cubre las células y hace que se agreguen; este fenómeno de agregación se descubrió por primera vez con el virus de la influenza y se denomina hemaglutinación. De manera apropiada, la proteína de unión viral en el virión de la influenza se conoce como hemaglutinina. Además, la presencia de la hemaglutinina en la membrana plasmática de la célula infectada significa que tanto la célula como el virión unen los eritrocitos. Esta reacción, conocida como hemadsorción, es un indicador útil de infección por ciertos virus.

La hemaglutinación puede usarse para estimar el título de partículas virales en una muestra que contiene virus. Muestras diluidas de manera seriada de la preparación del virus se mezclan con una cantidad constante de eritrocitos, y se deja reposar la mezcla en un tubo de ensayo. Los eritrocitos aglutinados se depositan en el fondo para formar una capa delgada dispersa. Si hay suficientes virus como para aglutinar los eritrocitos, se asentarán en el fondo del tubo de ensayo y formarán un gránulo comprimido. La diferencia se califica con facilidad visualmente, y el criterio de valoración de la hemaglutinación se usa como una medida relativa de la concentración del virus en la muestra. Además, la hemaglutinación puede inhibirse mediante anticuerpos específicos para proteína de fijación del virus, lo que se conoce como inhibición de la hemaglutinación (HI, hemagglutination inhibition), que puede usarse para determinar el título del anticuerpo.

Recuento en placa

El recuento en placa es un método para determinar el volumen de viriones infecciosos en una preparación viral o lisado. Se hacen diluciones seriadas de la muestra y se añade una alícuota de cada dilución a un enorme exceso de células hospedadoras susceptibles. En el caso de los virus humanos, las células hospedadoras normalmente se unen al fondo de una caja de Petri de plástico; en el caso de células bacterianas, la adsorción en forma típica se lleva a cabo en una suspensión celular. En ambos casos, más adelante, las células se hunden en un medio semisólido, como agar, que evita que los viriones liberados se extiendan a lo largo de la totalidad de la población celular. Así, el virus liberado de la ronda inicial y rondas subsiguientes de la infección puede invadir sólo a las células en las inmediaciones de la célula infectada inicial de la caja. El resultado final es una depuración claramente visible de células muertas en cada uno de los sitios de la caja donde se localizaba una de las células infectadas originales. Esta depuración se denomina placa (figura 6–16). En el caso de células humanas, es común que su visualización requiera de tinción. Mediante el conteo del número de placas y al corregir el factor de dilución puede calcularse el volumen viral en la muestra original. Por lo común, este volumen se expresa como el número de unidades de formación de placa por mililitro (ufp/mL).

Análisis inmunológico

El antígeno viral puede cuantificarse mediante el uso de la especificidad antígeno-anticuerpo según se mide con el ensayo de ionmunoabsorción (EIA, enzyme immunoassay), ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas (ELISA, enzyme linked immunosorbent assay) y el ensayo de inmunofluorescencia (IFA, immunofluoresence assay). En forma semejante a como se hace en otras pruebas, en los análisis inmunológicos deben determinarse la especificidad antígeno-anticuerpo y las condiciones. Para la mayoría de los virus existen anticuerpos comerciales disponibles que se pueden utilizar para detectar o cuantificar el antígeno de los virus en cultivos y líquidos corporales, biopsias de tejido, suero, plasma y líquido cefalorraquídeo (CSF, cerebrospinal fluid). El ejemplo más común es la detección y, en ocasiones, la cuantificación del virus sincitial respiratorio por IFA donde se miden los antígenos del virus sincitial respiratorio en lavados nasofaríngeos y de garganta, esputo o lavado bronquioalveolar. Además, es posible detectar y cuantificar los antígenos virales en sangre (plasma o suero), lo que puede proporcionar información acerca de la cantidad de virus presentes en la sangre; por ejemplo, el HIV puede cuantificarse mediante la concentración de antígeno p24 (cápside) en el líquido de cultivo o sangre. Por otro lado, estos inmunoensayos también pueden usarse para detectar anticuerpos producidos durante la infección, y son herramientas muy poderosas para diagnosticar infección. En este escenario, se dispone en el comercio de placas cubiertas con antígenos, que pueden usarse para detectar anticuerpos en muestras de pacientes para diagnóstico de infección y vigilancia de la eficacia de vacunas.

Análisis molecular

Los genomas virales, tanto de RNA como de DNA, pueden cuantificarse a fin de determinar la cantidad de virus (carga viral) en sangre (suero o plasma) o en cualquier muestra dada. De inicio, los genomas RNA de los virus se transcriben inversamente a cDNA mediante la enzima transcriptasa inversa y después se amplifican a través de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). Sin embargo, los genomas virales de DNA se pueden amplificar de manera directa mediante PCR a fin de cuantificar los genomas virales. Con base en el número de copias del genoma viral se puede determinar la cantidad de virus en cualquier muestra; se trata del método más sensible y específico que se utiliza para la detección y cuantificación de genomas virales. La PCR es empleada de manera rutinaria para determinar la carga viral en infecciones por HIV, virus de la hepatitis C y otras infecciones virales o microbianas.

GENÉTICA VIRAL

Los virus generalmente usan dos mecanismos —mutación y recombinación— mediante los cuales los genomas virales cambian durante la infección, y algunos de estos cambios tienen consecuencias virológicas, inmunológicas y clínicas. De manera típica, la mayoría de las partículas víricas derivadas de una célula infectada con un virus humano no resultan infecciosas en otras células según lo que determinan los recuentos en placa. Aunque parte de esta discrepancia podría atribuirse a la ineficiencia de los procedimientos de análisis, es claro que se producen muchas partículas defectuosas. En parte, esta producción de partículas defectuosas se debe a que las tasas de mutación de los virus humanos son inusualmente elevadas y a que muchas infecciones suceden a multiplicidades altas, donde los genomas defectuosos se complementan por virus no defectuosos, por lo que se propagan.

Mutación

Muchos virus DNA utilizan la maquinaria de síntesis de DNA del hospedador para replicar sus genomas; por ende, se benefician de los mecanismos de detección y corrección de errores que utiliza la célula. Sin embargo, los virus humanos de gran tamaño (adenovirus, herpesvirus y poxvirus) codifican sus propias DNA polimerasas, y estas enzimas no son tan efectivas en cuanto a corrección de errores como las polimerasas celulares. Los elevados índices de error resultantes en la replicación del DNA les proporcionan a los virus el potencial de una tasa elevada de evolución, pero también son parcialmente responsables de la alta cantidad de partículas virales defectuosas.

La replicación de virus RNA se caracteriza por índices de error de mutación aún más elevados ya que las RNA polimerasas virales no contienen capacidades de detección y corrección de errores de ningún tipo. El resultado es que las tasas de error para los virus RNA por lo común se acercan a un error por cada 2500 a 10 000 nucleótidos polimerizados. Este elevado índice de incorporación errada significa que incluso en el caso de los virus RNA más pequeños, casi cada ronda de replicación introduce uno o más cambios de nucleótidos en algún lugar del genoma. Si uno supone que los errores se introducen de forma aleatoria, la mayoría de los miembros de una clona (p. ej. en una placa) son genéticamente distintos a todos los demás miembros de dicha clona. La mezcla resultante de diferentes secuencias genómicas para un virus RNA particular se ha llegado a conocer como cuasiespecie a fin de enfatizar que el nivel de variación genética es mucho mayor del que por lo normal existe para una especie.

Debido a la redundancia en el código genético, algunas mutaciones son silenciosas y no se reflejan en cambios a nivel proteico, pero muchas suceden en genes esenciales y contribuyen al gran número de partículas defectuosas que se encuentran para los virus RNA humanos. El concepto de estabilidad genética adquiere un nuevo significado en vista de estas consideraciones, y la población de virus RNA como un todo mantiene cierto grado de homogeneidad sólo a causa del alto grado de aptitud que exhibe un subconjunto de posibles secuencias genómicas. Así, existen poderosas fuerzas selectivas que operan de manera continua sobre una población a fin de eliminar la mayoría de los mutantes que no logran competir con los muy pocos miembros exitosos de la población. No obstante, cada vez que el ambiente cambia (p. ej., con la aparición de anticuerpos neutralizantes), se selecciona un nuevo subconjunto de la población y se mantiene siempre que las fuerzas selectivas permanezcan constantes.

Las altas tasas de mutación de los virus RNA les confieren una plasticidad genética que conduce con facilidad a la ocurrencia de variantes genéticas y permite una veloz adaptación a condiciones ambientales novedosas. Por ejemplo, es probable que el enorme número de serotipos de rinovirus que ocasionan el resfriado común refleje el potencial de variar por mutación. Aunque el cambio genético rápido sucede en el caso de la mayoría de los virus, si no es que en todos, ningún virus RNA de importancia médica ha exhibido este fenómeno de manera tan evidente como el virus de la influenza. Las mutaciones de punto se acumulan en los genes de influenza que codifican ambas proteínas de envoltura (hemaglutinina y neuraminidasa), lo que ocasiona cambios en la estructura antigénica de los viriones. Estos cambios conducen a nuevas variantes que no reconoce el sistema inmunitario de los individuos previamente infectados; este fenómeno se conoce como desviación antigénica (capítulo 9). La figura 6–17 muestra el efecto de las mutaciones que producen la desviación antigénica. En apariencia, los dominios de las dos proteínas de envoltura que son de la máxima importancia para el reconocimiento inmune no son esenciales para la entrada del virión y, a consecuencia de esto, pueden tolerar cambios de aminoácidos que conducen a una variación antigénica. Es posible que esta característica distinga a la influenza de otros virus RNA humanos que poseen los mismos índices elevados de mutación, pero que no exhiben tasas tan altas de desviación antigénica. La desviación antigénica en los virus epidémicos de influenza año con año requiere que se hagan actualizaciones continuas de las cepas que se utilizan para producir las vacunas anuales para la influenza.

Los retrovirus también muestran altos niveles de variación a causa de la enzima transcriptasa inversa propensa a errores que convierte el RNA retroviral en DNA de cadena doble. Por ejemplo, los índices de error de la transcriptasa inversa del HIV-1 son de cerca de cuatro a cinco errores por cada transcripción inversa del genoma. Una vez que el DNA viral se ha integrado al cromosoma de la célula hospedadora, el DNA retroviral se transcribe por la RNA polimerasa II del hospedador, que es capaz también de generar errores. De manera acorde, el HIV-1 exhibe altas tasas de mutación y esto le da al virus la capacidad de evolucionar con rapidez ante las condiciones cambiantes del hospedador infectado. Esta variación genética ha dado por resultado diversas clases o subtipos de HIV-1 en todo el mundo.

Los retrovirus que exhiben altos índices de variación antigénica como el HIV-1 representan un problema particularmente difícil para el desarrollo de vacunas efectivas. Se están haciendo intentos por identificar los dominios conservados y, por ende, presumiblemente esenciales, de las proteínas de la envoltura de estos virus, lo que podría ser de utilidad para desarrollar una vacuna genéticamente diseñada.

Fenómeno de Von Magnus y partículas defectuosas interferentes

En los estudios iniciales con el virus de la influenza, se observó que los pases seriados de reservas virales a altas multiplicidades de infección condujeron a una disminución continua del título infeccioso con cada pase. Al mismo tiempo aumentó el volumen de partículas no infecciosas. Como se discute más adelante, los genomas no infecciosos interfieren con la replicación del virus infeccioso y, por ende, se denominan partículas defectuosas interferentes (DI). Más adelante, estas observaciones se extendieron hasta incluir a casi todos los virus DNA humanos, así como a los virus RNA humanos. En la actualidad, el fenómeno lleva el nombre de Von Magnus, quien describió las observaciones iniciales con los virus de influenza.

Una combinación de dos sucesos separados conduce al fenómeno Von Magnus. Primero, se presentan mutaciones por deleción a una frecuencia significativa para todos los virus. En el caso de los virus DNA, los mecanismos no se comprenden del todo, pero en teoría las deleciones suceden a causa de errores en la replicación o a causa de recombinaciones no homólogas. La base para la presentación de deleciones en los virus RNA se comprende mejor. Todas las RNA polimerasas (replicasas) tienden a disociarse de la plantilla de RNA, pero permanecen ligadas al extremo de la cadena creciente de RNA. Al volver a asociarse con la misma plantilla o con otra diferente en una localización distinta, la replicasa “termina” la replicación, pero en el proceso crea una molécula de RNA más corta o más larga. Un subconjunto de estas variantes posee las señales adecuadas para iniciar la síntesis de RNA y continúa la replicación. Debido a que las variaciones por deleción en la población requieren menor tiempo para completar un ciclo de replicación, a la larga predominan y constituyen las partículas DI.

Segundo, como su nombre implica, las partículas DI interfieren con la replicación de partículas no defectuosas o normales (tipo silvestre). La interferencia sucede porque las partículas DI compiten de manera exitosa con los genomas no defectuosos por el suministro limitado de enzimas de replicación. Así, los viriones liberados al final de la infección se encuentran enriquecidos para las partículas DI. Con cada infección subsiguiente, las partículas DI pueden predominar sobre las partículas normales siempre y cuando la multiplicidad de la infección sea lo bastante elevada como para que cada célula esté infectada con al menos una partícula infecciosa normal. Si se satisface dicha condición, entonces la partícula normal del virus puede complementar cualquier defecto presente en las partículas DI y proporcionar todas las proteínas virales necesarias para la infección; este proceso se conoce como complementación. Sin embargo, al paso del tiempo, a medida que siguen los pases seriados, la multiplicidad de las partículas infecciosas baja por debajo de uno y la mayoría de las células se ven infectadas únicamente con partículas DI. Cuando esto sucede, la proporción de partículas DI en los virus progenie disminuye.

Recombinación

Además de la mutación, la recombinación genética entre virus relacionados es una fuente principal de variación genómica. Las células bacterianas así como los núcleos de las células humanas contienen las enzimas necesarias para la recombinación homóloga del DNA. Así, no sorprende que surjan recombinantes a partir de infecciones mixtas que involucren dos cepas distintas del mismo tipo de virus DNA. Los bacteriófagos de mayor tamaño, como los λ o los T4, codifican sus propias enzimas de recombinación, hecho que confirma la importancia de la recombinación en el ciclo vital y, posiblemente, la evolución de estos virus. El hecho de que la recombinación también se haya observado en el caso de los poxvirus citoplásmicos sugiere que ellos también codifican sus propias enzimas de recombinación.

Hasta donde se sabe, las células no poseen la maquinaria para recombinar moléculas de RNA. Sin embargo, se ha observado la recombinación al menos entre algunos virus RNA por medio de dos mecanismos distintos. El primero, que es exclusivo de los virus con genomas segmentados (ortomixovirus y reovirus), implica el reordenamiento de segmentos durante una infección mixta que involucra a dos cepas virales distintas. Se puede explicar la presencia de virus progenie recombinantes que difieren de cada progenitor por la formación de nuevas combinaciones entre los segmentos genómicos que están libres para mezclarse entre sí en algún momento durante la infección. Se cree que las recombinaciones de este tipo durante infecciones de una misma célula por ciertos virus de influenza humana y animal explicarían los ocasionales cambios drásticos en la antigenicidad del virus de la influenza humana tipo A. Estas alteraciones notables, llamadas cambios antigénicos (figura 6–18), producen cepas para las que gran parte de la población humana carece de inmunidad y que, por ende, pueden tener consecuencias epidemiológicas y clínicas enormes (capítulo 9).

El segundo mecanismo de recombinación de los virus RNA se ejemplifica por la recombinación genética entre formas distintas de poliovirus. Ya que el genoma RNA del poliovirus no es segmentado, no se puede argumentar la recombinación como base para los recombinantes observados. En este caso, parecería que la recombinación sucede durante la replicación por medio de un mecanismo tipo “elección de copias”. Durante la síntesis de RNA, la replicasa (polimerasa) se disocia de una plantilla y reinicia la copia sobre una segunda plantilla en el lugar exacto en que se detuvo en la primera. El resultado final es un genoma RNA progenie que contiene información proveniente de dos moléculas de RNA; por ende, cambiar de hebras durante la replicación genera un virus recombinante. Aunque esto no se observa de forma común, es probable que la mayoría de los virus RNA humanos sean capaces de este tipo de recombinación.

También se ha argumentado un mecanismo de “elección de copia” para explicar las altas tasas de recombinación que se observan en el caso de los retrovirus. Muy al principio después de la infección, la transcriptasa inversa dentro del virión sintetiza una copia DNA del genoma RNA mediante un proceso denominado transcripción inversa. Durante el curso de la transcripción inversa se requiere que la enzima “salte” entre dos sitios del genoma RNA (capítulo 18). En apariencia, esta propiedad para cambiar de plantillas explica la manera en que la enzima genera virus recombinantes. Debido a que la transcripción inversa se lleva a cabo en las partículas subvirales, no se permite una mezcla libre de plantillas de RNA introducidas en la célula por diferentes partículas virales. No obstante, los retrovirus son diploides, ya que cada partícula transporta dos copias del genoma. Esta disposición parecería proporcionar una situación ideal para el cambio de plantillas durante la síntesis del DNA y casi con toda seguridad explica la recombinación retroviral.

En ocasiones, los retrovirus animales empaquetan un mRNA celular en lugar de un segundo genoma RNA dentro del virión. Esta disposición puede conducir a una recombinación de elección de copia entre el genoma viral y el mRNA celular. En ocasiones, el resultado final es la incorporación de un gen celular en el genoma viral. Se cree que este mecanismo explica la producción de retrovirus altamente oncogénicos que contienen genes celulares modificados (véase más adelante).

Mezcla de fenotipos

La mezcla de dos virus estrechamente relacionados, A y B, puede dar por resultado la generación de un virus híbrido con el genoma del virus A y proteínas de superficie externa del B. En el momento de la infección de las nuevas células apropiadas, la proteína de superficie determina el tropismo (que significa que se une al receptor sobre las células huésped). Sin embargo, los virus progenie producidos a partir de este virus híbrido serán del virus tipo A porque el genoma en este virus híbrido perteneció al virus tipo A.

ESTADO LATENTE

Los virus latentes, que son capaces de establecer respuestas tanto productivas como no productivas, pueden infectar una célula y entrar a un estado latente que se caracteriza por poca o ninguna producción de virus. El genoma de DNA viral se replica y segrega junto con el DNA celular cuando la célula se divide. Hay dos posibles estados para el genoma viral latente: existe fuera de los cromosomas (herpesvirus) como un plásmido bacteriano, o queda integrado en el cromosoma (retrovirus) como el factor F bacteriano en la formación de una cepa de recombinación de alta frecuencia (HFR, high-frequency recombination) (capítulo 21). Dado que el genoma latente por lo general tiene la capacidad de reactivación y entrada en el ciclo lítico, se llama un provirus o, en el caso de los bacteriófagos, un profago. En muchos casos no se detecta la latencia viral, sin embargo, la expresión limitada de genes provirales ocasionalmente dota a la célula de un nuevo conjunto de propiedades. Por ejemplo, la infección latente por virus del herpes simple se caracteriza por la presencia de DNA viral (extracromosómico) en el ganglio nervioso sin producción alguna de partículas de virus infecciosas, así como sin síntomas (latencia clínica) en individuos infectados. Sin embargo, esta fase latente puede reactivarse, lo cual se caracteriza por la presencia de partículas de virus infecciosas y síntomas. Por ejemplo, la lisogenia (estado latente) en ocasiones conduce a la producción de toxinas determinantes de la virulencia en algunas bacterias (conversión lisogénica —véanse los detalles en el capítulo 21) y la latencia de un virus humano puede producir transformación oncogénica.

La importancia de la lisogenia y la conversión lisogénica se describe en el capítulo 21. La difteria, la escarlatina y el botulismo se originan por toxinas producidas por bacterias que se han “convertido” por un bacteriófago latente. En cada caso, el gen que codifica para la proteína de la toxina reside en el DNA del fago, y se expresa junto con el gen represor en el estado lisogénico.

• Los virus que tienen genomas de RNA (virus RNA) o DNA (virus DNA) cubiertos con proteína de cápside se denominan virus con cápside desnudos.

• Algunos virus tienen membranas de bicapa lipídica (envoltura) externas a la proteína de la cápside; estos virus se llaman virus con envoltura.

• Los genomas de RNA viral son principalmente lineales, monocatenarios (+, - o +/−) excepto por los reovirus que tienen genomas RNA bicatenarios. Algunos virus tienen genomas de RNA segmentados. Los genomas de DNA viral son principalmente bicatenarios, excepto los parvovirus, que tienen genoma DNA monocatenario.

• Los virus se consideran microorganismos intracelulares o parásitos, porque se replican dentro de las células huésped al usar componentes estructurales y funciones metabólicas celulares.

• Mientras que muchos virus causan infección aguda que se elimina mediante el sistema inmunitario del huésped, algunos virus causan infección persistente, latente o crónica. La infección viral latente se puede reactivar de manera periódica, mientras que los virus crónicos se replican a una magnitud baja sin causar mucho daño al tejido diana.

• La cápside o envoltura protege el genoma viral. La nucleoproteína que se une al genoma viral ayuda a la condensación de este último.

• Los virus con cápside desnudos tienen simetría icosaédrica, mientras que los virus con envoltura tienen simetría helicoidal o icosaédrica.

• Las espinas (proteínas) codificadas por el virus están presentes en la cápside externa de virus con cápside desnudos, y sobre la envoltura de virus con envoltura, que se unen a los receptores sobre la célula huésped para la entrada del virus hacia esta última.

• Algunas membranas virales con envoltura se fusionan con la membrana plasmática de las células huésped, mientras que otros virus con envoltura, y todos los virus con cápside desnudos, entran a las células por medio de viropexis en la cual forman vesículas endosomales dentro de las células.

• Los virus RNA de sentido positivo traducen de inmediato, y los virus RNA de sentido negativo llevan RNA polimerasa dependiente de RNA viral para transcripción y replicación en el citoplasma.

• Los virus DNA se replican en el núcleo al usar RNA polimerasa dependiente de DNA del huésped (RNA polimerasa del hospedero) para transcripción, y DNA polimerasa dependiente de DNA sea del hospedero (para parvovirus, papilomavirus, poliomavirus) o viral para replicación.

• Casi todos los virus con envoltura se ensamblan en el citoplasma por medio de la proteína de matriz que lleva el complejo de nucleocápside cerca de la membrana plasmática, y adquieren membrana de envoltura al expresar espinas virales mediante gemación.

• Los virus con cápside desnudos DNA se ensamblan en el núcleo, y los virus con cápside desnudos RNA en el citoplasma, y se liberan en el momento de la muerte de la célula.

• Las células infectadas pueden morir debido a efectos citopáticos puesto que se liberan demasiados virus hijos desde las células.

• Las enzimas específicas para virus que no están presentes en las células huésped son las dianas ideales para fármacos antivirales.

• Los mecanismos de cambios genéticos importantes comprenden mutaciones y recombinación o reordenamiento. Ambos mecanismos se encargan de permitir que el virus escape de la inmunidad preexistente, lo cual hace necesario actualizar cepas para la vacunación anual contra la influenza, y causa infección viral persistente, como el HIV.