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Introducción
La enfermedad por coronavirus 2019 (COVID-19, coronavirus disease 2019), causada por el coronavirus (CoV) 2 del síndrome respiratorio agudo grave (SARS-CoV-2, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2), fue reportada en diciembre de 2019 en Wuhan, capital de Hubei, China1, y declarada pandemia en marzo de 2020. Hasta el 17 de noviembre de 2022 se han reportado 632,953,782 infectados y 6,593,715 muertes en todo el mundo2. El primer CoV humano, identificado en 1965 y tomado en imagen por microscopía electrónica en 1967, se asoció con síntomas leves como resfriado común3; desde entonces hasta ahora, siete de ellos infectan a los humanos, siendo el SARS-CoV reportado en China en 2002, el del síndrome respiratorio del Medio Oriente (MERS-CoV, Middle East respiratory syndrome) identificado en 2012 en Arabia Saudita, y el SARS-CoV-2 los más patogénicos4. Recientes estudios han ayudado a conocer al virus y el papel que desempeña en la COVID-19; sin embargo, nuevas mutaciones han generado variantes de preocupación (VOC, variants of concern) que muestran mayor capacidad de transmisión y evasión de la respuesta inmunitaria5. El objetivo de esta revisión es describir el papel del genoma y de la proteína espiga (S, del inglés spike) del SARS-CoV-2 en la COVID-19, en la tormenta de citocinas, en la actividad de las células T y B, en la evasión del sistema inmunitario y en la eficacia de algunas vacunas tomando en cuenta las mutaciones en la proteína S.
Origen del SARS-CoV-2
Algunos CoV (familia Coronaviridae, subfamilia Orthocoronavirinae y género Betacoronavirus) han adquirido, a través del tiempo, la capacidad de infectar humanos1. Los HCoV-229E, HCoV-OC43, HCoV-NL63 y HCoV-HKU1 causan resfriados comunes o enfermedades respiratorias leves, en comparación con SARS-CoV, MERS-CoV y SARS-CoV-2, los cuales pueden producir infecciones pulmonares, neumonía, dificultad respiratoria y potencialmente la muerte del paciente1,3-5. El MERS-CoV y el SARS-CoV-2 comparten una secuencia nucleotídica idéntica al CoV del murciélago Taphozous perforatus1,5, que junto con el pangolín han sido propuestos como intermediarios de transmisión e infección hacia el humano1. Su origen podría tener tres escenarios: 1) el ancestro viral se incubó por décadas en los murciélagos acumulando mutaciones que promovieron la transmisión, 2) un ancestro poco virulento permaneció latente hasta que adquirió nuevas mutaciones aumentando su virulencia, o 3) el SARS-CoV-2 permaneció circulante en un hospedero intermediario hasta la transmisión a los humanos1,4,5.
Genoma
El genoma del SARS-CoV-2 está formado por un RNA de cadena sencilla y de sentido positivo, con 29,881 pares de bases, se organiza en 14 marcos abiertos de lectura (ORF, open read frame), codificando 4 proteínas estructurales, 16 no estructurales (NSP, non-structural proteins) y 9 accesorias, involucradas en la infección y la liberación viral6,7. Sus ORF están flanqueados por regiones no traducidas en los extremos 5’ y 3’; el primero es adyacente a una secuencia líder y el segundo contiene una cola poliadenilada6,7. Los ORF 1a y 1b constituyen casi dos tercios del genoma y codifican para 16 NSP. El ORF1a (NSPs 1-11) participa en la expresión del genoma viral, codificando dos proteinasas. El ORF1b (NSPs 12-16) produce la polimerasa de RNA-dependiente de RNA (RdRp, RNA-dependent RNA polymerase), una helicasa (NSP13), una exonucleasa (NSP14), una endorribonucleasa (NSP15) y una metiltransferasa (NSP16). El resto de los ORF producen las proteínas S, E, M y N y 9 accesorias (3a, 3b, 6, 7a, 7b, 8a, 8b, 9b y 9c) (Fig. 1)6,7. Durante la replicación del genoma se generan mutaciones con una tasa estimada de 2.9 a 3.7 × 10−6/nt/ciclo. El gen S muta 4-5 veces más que el resto del genoma5-7. La RdRp parece no tener efecto en la corrección y la eliminación de mutaciones5,6.
Figura 1 Estructura y organización genómica del SARS-CoV-2. A: se esquematizan las proteínas estructurales S, M, E y N, que forman al SARS-CoV-2. B: se representa la estructura del genoma del virus. El RNA monocatenario de sentido positivo (+ssRNA) se divide en marcos abiertos de lectura (ORF, open reading frame) que codifican para proteínas no estructurales (PNE), proteínas estructurales y accesorias. Las PNE se codifican por ORF1a y ORF1b mediante un mecanismo de desplazamiento del ribosoma (ribosomal frameshift mechanism) en el gen 1b que da lugar a las poliproteínas pp1a y pp1ab, las cuales son posteriormente procesadas por proteinasas virales para producir 16 proteínas. LD: secuencia líder (leader sequence); PP1: polipoproteína 1 (polyprotein 1); UTR: región no traducida (untranslated region).
Proteínas estructurales
La proteína N, la más abundante en el SARS-CoV-2, cuenta con un dominio amino y carboxilo terminal (NTD y CTD, N-terminal domain y C-terminal domain, respectivamente), se une al RNA viral y ayuda en la entrada y en las interacciones celulares después de la fusión viral6. La proteína E tiene un NTD, un dominio hidrófobo y un CTD, con un peso de 8-12 kDa, y está involucrada en el ensamblaje y la liberación del virus: las viroporinas6. La proteína M proporciona la morfología al virión y participa en el andamiaje y el ensamblaje8. La proteína S, encargada de reconocer y unirse con el receptor humano ACE2 (angiotensin-converting enzyme 2), cuenta con 1273 aminoácidos (aa) (con un peso de 180-200 kDa) divididos en las subunidades 1 (S1) y 2 (S2), y en el NTD, un dominio transmembrana y con un NTD, y su forma activa es un trímero6,7. La S1 (1-685 aa) contiene el péptido señal (1-13 aa), el NTD (14-305 aa), el RBD (319-541 aa) y los subdominios SD1 y SD2. El RBD es blanco de neutralización por anticuerpos que bloquean la interacción con ACE2. La S2 (686-1273 aa) contiene el péptido de fusión (788-806), el HR1 (heptapeptide repeat sequence 1) (912-984 aa), el HR2 (1163-1213 aa), el dominio TM (1213-1237 aa) y el dominio CT (1237-1273 aa), y posee aa de anclaje y fusión con la membrana celular del hospedero7.
Proteína S, ACE2 y proteasas
En la infección por SARS-CoV-2, diversas proteasas escinden la proteína S a través de dos sitos: el de furina, localizado entre la S1 y S2, y el S2’, localizado en la S2 y reconocido por la proteasa transmembrana de serina 2 (TMPRSS2, transmembrane serine protease 2) (Fig. 2 A), la catepsina L (CTSL, cathepsin L) (Fig. 2 A) y la elastasa de neutrófilos9,10. La escisión por furina promueve la entrada del SARS-CoV-2 (Fig. 2) al inducir su fusión con la membrana hospedera, TMPRSS2 escinde la proteína S en la superficie celular e induce su unión con la célula humana (Fig. 2). CTSL lo hace en el endosoma/endolisosoma tardío (Fig. 2)9. La interacción de las proteínas S/ACE2 induce cambios en la S2, exponiendo el sitio de escisión S2’; así, la endocitosis libera el péptido de fusión e inicia la formación del poro y la infección en las células humanas10-12. ACE2, expresado en las vías aéreas inferiores, el epitelio bronquial superior y nasal, el intestino delgado, el músculo cardiaco, etc., introduce el SARS-CoV-2 en las células pudiendo afectar estos órganos6,7,11. El genoma viral en la célula debe traducirse en los ribosomas para producir partículas virales, y así, replicado su genoma y traducidas sus proteínas, se translocarán al retículo endoplásmico rugoso y al complejo de Golgi, donde se ensamblará.
Figura 2 Mecanismos de reconocimiento e internalización celular de SARS-CoV-2. A: el reconocimiento viral está mediado por la interacción de la subunidad S1 de la proteína viral S y su receptor humano; la enzima convertidora de angiotensina 2 (ACE2, angiotensin-converting enzyme 2) en la célula hospedera. La unión ACE2-proteína S induce el corte proteolítico en S1’ mediada por furina y expone el sitio de corte S2’, favoreciendo el reconocimiento de proteasas (TMPRSS2, CTSL). La escisión deja descubierto el péptido de fusión (FP) de la proteína S, la cual se une a la MC o la ME promoviendo la fusión membranal. B: la internalización del SARS-CoV-2 puede ser por vía del reconocimiento S1-ACE2 que promueve la formación de endosomas (izquierda), donde la catepsina L (CTSL, cathepsin L) corta el sitio S2’ dando lugar a la fusión de la envoltura viral con la membrana endosomal. Si en la superficie celular se encuentra expresada la proteasa transmembrana de serina 2 (TMPRSS2, transmembrane serine protease 2), la envoltura viral y la membrana celular se fusionan, liberando el RNA viral en el citoplasma (derecha). El RNA viral es replicado y expresado en el citoplasma, donde eventualmente se realiza el ensamblaje de nuevos virus. CM: membrana celular (cell membrane); EV: envoltura viral (viral envelope); FP: péptido de fusión (fusion peptide); ME: membrana endosómica (endosomal membrane); EN: envoltura nuclear.
Inmunidad innata y tormenta de citocinas
El SARS-CoV-2 y sus variantes generan diferentes signos y síntomas en 3 a 14 días, causando dolor de cabeza, pecho y cuerpo, fiebre, dificultad para respirar, fatiga, tos seca, pérdida del sentido del gusto, etc. Aproximadamente el 20% de los pacientes desarrollan COVID-19 grave o crítica, como lesiones respiratorias, choque séptico y muerte11. La respuesta inmunitaria comienza cuando el SARS-CoV-2 entra a la célula; dependiendo de diferentes circunstancias puede evadir, atenuar o inducir el ataque inmunitario innato, pudiendo activar vías de señalización inflamatorias, incluyendo la del factor nuclear kappa B (involucrada en la producción de citocinas proinflamatorias) y la de JAK/STAT (involucrada en la transcripción de genes estimulados por interferón), entre otras13. Las células epiteliales de las vías aéreas, al ser infectadas, liberan virus e infectan otras células. En esta etapa, los macrófagos derivados de monocitos o las células dendríticas activan un mecanismo de defensa de eliminación viral, produciendo una respuesta inmunitaria mediada por citocinas, quimiocinas, etc.13,14; sin embargo, algunos pacientes liberan descontroladamente citocinas proinflamatorias, quimiocinas y factores de crecimiento, etc., generando una tormenta de citocinas asociada con fiebre y mialgias en casos leves o con hiperinflamación, neumonía, dificultad respiratoria aguda, alteraciones cardiovasculares y fallo multiorgánico en casos críticos13,14. El factor de necrosis tumoral, el interferón, el factor de crecimiento estimulante de colonias granulocíticas, el factor transformante beta y el factor de crecimiento de hepatocitos son determinantes en el «síndrome de liberación de citocinas» durante la COVID-19. Altos niveles de interferón se relacionan con dolor de cabeza, escalofríos, mareos y fiebre14. Los neutrófilos, los macrófagos, los linfocitos, las células endoteliales y epiteliales, los fibroblastos, etc., a través de diferentes citocinas pueden generar cicatrización de los pulmones y la muerte del paciente con COVID-1914.
Inmunidad adaptativa, linfocitos T y B
Los linfocitos T citotóxicos (CTL, cytotoxic T lymphocytes) eliminan células infectadas por virus. Se ha observado que los pacientes con COVID-19 que contaron con CTL y que respondieron a péptidos virales mostraron mejores resultados clínicos15, mientras que los que mostraron disminución significativa de estas células tuvieron una enfermedad más grave16. Los CTL reconocen péptidos antigénicos de las proteínas S, M o N, lo que sugiere que este tipo de inmunidad tiene igual o mayor relevancia que la de anticuerpos15. Se ha observado una activación robusta de los CTL en los 10-12 días después de la administración de la primera vacunación15. Alteraciones de los CTL, como una baja expresión de la proteína perforina, están asociadas a una forma grave de COVID-1917.
Los linfocitos B representan la respuesta inmunitaria adaptativa de mayor importancia en la protección contra el SARS-CoV-2, dado que producen anticuerpos específicos contra una secuencia de aa del RBD inducidos por las vacunas o por la infección natural; sin embargo, variaciones en los aa ocasionadas por mutaciones hacen que los anticuerpos no identifiquen con la misma exactitud las diferentes variantes de SARS-CoV-2, disminuyendo su efecto neutralizante18. Los linfocitos B generan memoria y, así, una segunda infección podría pasar inadvertida dado que los anticuerpos protegerán al individuo durante algunos meses, pero si el RBD tiene diferencias en la secuencia de aa respecto a la cepa o variante que previamente lo infectó, o si la vacuna fue diseñada para cierta cepa o variante, entonces la protección disminuirá. Los anticuerpos IgM, IgG e IgA contra el SARS-CoV-2 lo neutralizarán y erradicarán19,20. Títulos altos de IgG están asociados con un retraso en la depuración de SARS-CoV-2 y con una COVID-19 grave. El tiempo de protección mediada por anticuerpos en sujetos asintomáticos y en pacientes con COVID-19 moderada oscila entre 3 y 6 meses, con una declinación gradual21.
Mutaciones en las VOC y efectos biológicos
El gen S, principal blanco de mutaciones, presentó durante los primeros meses (marzo 2020) de la pandemia en Gran Bretaña la mutación D614G (ácido aspártico por glicina) (Fig. 3), y 2 meses después fue común en Europa y en diversas partes del mundo. D614G aumentó la capacidad de infección y la carga viral22,23. En septiembre de 2020 se identificó la variante alfa (linaje B.1.1.7) en Gran Bretaña (primera VOC), con 9 mutaciones en la proteína S respecto a la cepa original (Fig. 3). La mutación N501Y en el RBD (asparagina por tirosina) generó una mayor transmisión viral y afinidad para ACE2, así como una menor unión con anticuerpos neutralizantes (Tabla 1)23. Un mes después se reportó la variante beta o sudafricana (linaje B.1.351), con 10 mutaciones en la proteína S (Fig. 3) en comparación con la cepa original, de las cuales tres fueron localizadas en el RBD: la N501Y, la K417N (lisina por asparagina) y la E484K (ácido glutámico por lisina) (Tabla 1), aumentando la unión con ACE2, la transmisibilidad y la capacidad de evasión a la neutralización por anticuerpos monoclonales24. En diciembre de 2020 apareció la variante gamma o brasileña (linaje B.1.1.248), con 10 mutaciones en la proteína S (Fig. 3) en comparación con la cepa original, presentó a E484K y N501Y y la K417T (lisina por treonina) en el RDB, aumentando la unión con ACE2, la transmisión y el escape a la neutralización por anticuerpos monoclonales25. La variante delta (linaje B.1.617), con 9 mutaciones en la proteína S (Fig. 3), apareció en octubre de 2020 en la India26. Su RBD presentó las mutaciones T478K (treonina por lisina) y L452R (leucina por arginina), mientras que la P681R (prolina por arginina) generó un sitio de escisión para furina. La variante delta fue excepcionalmente infecciosa y mostró una reducción de la neutralización por anticuerpos en las personas vacunadas. La mutación L452R aumentó la estabilidad de la proteína S, la infección y la replicación viral27. La variante ómicron (linaje B.1.1.529), con más de 30 mutaciones en la proteína S (Fig. 3), fue identificada en noviembre de 2021 en Sudáfrica28 y hasta la segunda semana de noviembre de 2022 presentó los linajes BA.1, BA.2, BA.3, BA.4, BA.5, BQ.1 y BQ.1.1 (Tabla 1)29. Más de 15 mutaciones fueron reportadas en su RBD (Tabla 1)30,31, contribuyendo a una menor afinidad de la unión de anticuerpos y una mayor evasión al sistema inmunitario, con más riesgo de reinfección, etc.30,31. Los linajes BA.2.12.1 y BA.4/BA.5 aumentaron su capacidad de evasión inmunitaria contra anticuerpos neutralizantes comparados con BA.231. En la tabla 1 se muestran las mutaciones de las VOC.
Figura 3 Mutaciones identificadas en las variantes de preocupación (VOC, variant of concern). A: estructura de la proteína S (spike). B: mutaciones localizadas en el dominio de unión al receptor (RBD, receptor binding domain) de las VOC alfa, beta, gamma, delta y ómicron. Se indica el cambio de aminoácidos en cada mutación y su posición en la proteína. Letra en rojo indica las mutaciones en ómicron, letra en mostaza muestra las mutaciones en gamma, letra color violeta muestra las mutaciones en delta, letra en azul muestra las mutaciones en beta y letra en verde indica las mutaciones en alfa. CH: hélice central (central helix); CRD: dominio de conexión (conector domain); CT: cola citoplasmática (cytoplasmic tail); FP: péptido de fusión (fusion peptide); HR1: región heptada 1 (heptad repeated 1); HR2: región heptada 2 (heptad repeated 2); NTD: dominio amino-terminal (N-terminal domain); S1: subunidad 1 (sunbunit 1); S2: subunidad 2 (subunit 2); SD1: subdominio 1 (subdomain 1); SD2: subdominio 2 (subdomain 2); SS: secuencia señal (signal sequence); TM: dominio transmembrana (transmembrane domain).
Tabla 1 Variantes de preocupación, mutaciones en la proteína espiga del SARS-CoV-2 y efecto biológico
| Variante | Mutaciones en la proteína espiga | Efectosref. | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| NTD | RBD | Sitio de furina | Otras | Mutaciones relevantes | ||
| (B.1) | D614G | Aumenta la densidad de la proteína S y la tasa de infección22,23 | ||||
| Alfa (B.1.1.7) | Δ 69-70 Δ 144 | N501Y | P681H | A570D, D614G, T716I S982A D1118H | N501Y | 10 veces más afín a ACE2 que la cepa original, aumenta la transmisibilidad y la carga viral, y tiene un efecto mínimo en el escape del sistema inmunitario23,30 |
| Beta (B.1.351) | L18F D80A Δ211 D215G Δ241-243 | K417N E484K N501Y | D614G, A701V | E484K | Aumenta la transmisibilidad, efecto moderado en el escape de anticuerpos y en la evasión del sistema inmunitario23,24,30 | |
| Gamma (P.1) | L18F T20N P26S D138Y D164G R190S | K417T E484K N501Y | D614G H655Y T1027I | K417T | Aumenta la transmisibilidad, efecto moderado en el escape de anticuerpos y en la evasión del sistema inmunitario23,25,30 | |
| Delta (B.1.617.2) | T19R Δ156-157 R158G | L452R T478K | P681R | D614G D950N | L452R | Aumenta la transmisibilidad, efecto moderado en el escape de anticuerpos y en la evasión del sistema inmunitario, aumento en la escisión en S1/S26,27,30 |
| Ómicron (B.1.1.529) | A67V Δ69-70 T95I G142D Δ143-145 L212I Δ211 | G339D S371L S373P S375F K417N N440K G446S S477N T478K E484A Q493R G496A Q498R N501Y Y505H | T547K D614G H655Y N679K N764K D769Y N856K Q954H N969K | N501Y E484A | Aumenta la afinidad de unión por ACE28-31 Reduce la neutralización del fármaco bamlanivimab28-31 | |
| Ómicron BA.1/ B.1.1.529.1 | A67V Δ69-70 T95I Δ143-145 Δ211 L212I +214EPE | G339D S371L S373P S375F K417K N440K G446S S477N T478K E484A Q493R G496S Q498R N501Y Y505H | P681H | T547K D614G H655Y N679K N764K D796Y N856K Q954H N969K L981F | Aumenta la transmisibilidad, efecto moderado en el escape de anticuerpos y en la evasión del sistema inmunitario28-31 | |
| Ómicron BA.2/ B.1.1.529.2 | T19I Δ24-26 A27S G142D V213G | G339D S371F S373P S375F T376A D405N R408S K417N N440K S477N T478K E484A Q493R Q498R | P681H | D614G H655Y N679K N764K D796Y Q954H N969K | Aumenta la transmisibilidad respecto a BA.1 en un 30% y presenta un mejor escape de anticuerpos y mayor evasión del sistema inmunitario28-31 | |
| N501Y Y505H | ||||||
| Ómicron BA.3/ B.1.1.529.3 | A67V Δ69-70 T95I G142D Δ143-145 Δ211 L212I +214EPE | G339D S371L/F S373P S375F D405N K417N N440K G446S S477N T478K E484A Q493R Q498R N501Y Y505H | P681H | D614G H655Y N679K N764K D796Y Q954H N969K | Aumenta la transmisibilidad, presenta un mejor escape de anticuerpos y mayor evasión del sistema inmunitario28-31 | |
| Ómicron BA.4/ B.1.1.529.4 | T19I Δ24-26 A27S Δ69-70 G142D V213G | G339D S371F S373P S375F T376A D405N R408S K417N N440K L452R S477N T478K E484A F486V Q498R N501Y Y505H | P681H | D614G H655Y N679K N764K D796Y Q954H N969K | Aumenta la transmisibilidad, la evasión del sistema inmunitario y el escape de anticuerpos en comparación con BA.2 en individuos vacunados o que fueron infectados por BA.28-31 | |
| Ómicron BA.5/ B.1.1.529.5 | T19I Δ24-26 A27S Δ69-70 G142D V213G | G339D S371F S373P S375F T376A D405N R408S K417N N440K L452R S477N T478K E484A F486V Q498R N501Y Y505H | P681H | D614G H655Y N679K N764K D796Y Q954H N969K | Aumenta la transmisibilidad, la evasión del sistema inmunitario y el escape de anticuerpos en comparación con BA.2 en individuos vacunados o que fueron infectados por BA.28-31 | |
ACE2: enzima convertidora de angiotensina 2 (angiotensin-converting enzyme 2); NTD: dominio N-terminal (N-terminal domain); RBD: dominio de unión al receptor (receptor binding domain).
Mutaciones en el RBD y eficacia de las vacunas
Las vacunas generan anticuerpos específicos, y el cambio de aa contribuye a la evasión del sistema inmunitario y la reducción de su afinidad para unirse con anticuerpos neutralizantes contra el SARS-CoV-218-20. Las vacunas elaboradas con una secuencia de aa de la cepa original no generan anticuerpos específicos contra las VOC, por lo que su eficacia disminuye. La vacuna de Pfizer-BioNTech presentó una eficacia del 95% contra la cepa original y del 89.5% y el 75% para alfa y beta, respectivamente, al día 14 después de la segunda dosis. La protección para ingresar de manera grave o crítica a los hospitales fue del 97.5%32. Para la variante delta, la eficacia fue del 59% después de 14 días de la primera dosis, del 66% en los días 21-27 después de la primera dosis y del 90% en los días 7-21 después de la segunda dosis. Contra los síntomas de COVID-19 la eficacia fue del 57% en los días 14-20 después de la primera dosis, del 82% en los días 21-27 después de la primera dosis y del 93% en los días 7-21 después de la segunda dosis33. La eficacia contra la variante ómicron (41%) fue muy reducida con dos dosis, pero con la tercera dosis aumentó para la admisión hospitalaria al 85% a los 3 meses y disminuyó al 55% después de ese periodo33. La eficacia de la vacuna AztraZeneca (ChAdOx1-S) después de dos dosis para las variantes alfa y delta fue del 74.5% y del 67.0%, respectivamente34, con una eficacia reducida contra la enfermedad sintomática por ómicron con dos dosis34. Finalmente, nuevas investigaciones han mostrado un aumento en la protección contra las diferentes VOC si el individuo recibe distintas vacunas o la combinación de ellas35.
Conclusiones
La pandemia por SARS-CoV-2 representa actualmente un verdadero problema de salud en todo el mundo. Hasta hoy no se ha logrado detener la transmisión debido a la gran cantidad de mutaciones presentes en el RBD, las cuales confieren al virus mayor capacidad de transmisión, evasión del sistema inmunitario, disminución de la neutralización de los anticuerpos, etc. Los estudios recientes muestran que las personas infectadas previamente con una variante o subvariante tendrán una alta probabilidad de reinfectarse con otras variantes, lo que indica la relevancia de la generación de nuevas vacunas y la inmunización total de la población mundial.
