Virology Journal, 2005; 2: 35-35 (más artículos en esta revista)

Molecular avances en la biología celular de SARS-CoV actual de la enfermedad y estrategias de prevención

BioMed Central
Caren J Stark (starkc@cber.fda.gov) [1], Atreya CD (atreya@cber.fda.gov) [1]
[1] Division of Viral Products, Center for Biologics Evaluation and Research, US Food and Drug Administration, Bethesda, MD 20892 USA

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Resumen

A raíz de la epidemia de SRAS, ha habido progresos significativos en la comprensión de la biología celular y molecular de la infección por SARS-CoV. Algunos de los hitos más importantes son la disponibilidad de la secuencia del genoma viral, la identificación de los receptores de la viral, el desarrollo de un clon cDNA infecciosas, y la identificación de los antígenos virales que trate de obtener anticuerpos neutralizantes. Sin embargo, todavía hay una gran diferencia en nuestra comprensión de cómo el SARS-CoV interactúa con la célula huésped y la rápida evolución del genoma viral añade otra variable a esta ecuación. Ahora, el SARS-CoV historia ha entrado en una nueva fase, la búsqueda de estrategias de prevención y una cura para la enfermedad. Esta es una revisión de los progresos realizados en la identificación de los aspectos moleculares de la biología SARS-CoV que es relevante en el desarrollo de estrategias de prevención de las enfermedades. Los autores concluyen que el desarrollo exitoso de SARS-CoV vacunas y antivirales depende de los progresos que hacemos en estas áreas en el futuro inmediato.

Introducción

A raíz de los informes del último caso de las graves respiratorio agudo y grave síndrome respiratorio agudo (SARS), síndrome de la epidemia en julio de 2003, ha habido notables progresos en varios ámbitos de la investigación sobre la identificación molecular de los patógenos y su patogénesis, reproducción, genética, y Inmunogenicidad de acogida, así como los estudios epidemiológicos elegante. La secuencia de los eventos epidemiológicos que se desarrolló a principios del brote dio a los investigadores una visión en el primer patógeno de la nueva era de la globalización. Como el año 2002 tocaba a su fin, múltiples informes de una "neumonía atípica infecciosa" capturados los funcionarios de salud pública en todo el mundo por sorpresa y sugirió que un nuevo patógeno humano ha surgido en la provincia de Guangdong en China [1]. A finales de febrero de 2003, este brote de SRAS ha infectado a casi 800 pacientes y ha causado 31 muertes en la provincia [2]. Un mes más tarde, la enfermedad se ha extendido en toda Asia y en Europa y América del Norte. Esta última epidemia afectó a más de 8000 personas y causó aproximadamente 800 muertes en todo el mundo, con tasas de mortalidad llega a más del 40% en algunas poblaciones [3, 4].

Microscopio electrónico de análisis rápidamente identificado el agente putativo SRAS como las características relacionadas con coronavirus. El SRAS agente fue más tarde identificado sin ambigüedad como un nuevo miembro y llamado coronavirus del SRAS coronavirus (SARS-CoV) [5 - 7]. Coronavirus están envueltos, además de los virus de ARN-desamparados con la mayor genomas de ARN conocido (en el orden de 30 kb). Coronavirus han sido desde hace tiempo importante en el mundo de la veterinaria enfermedades virales. Sin embargo, anteriormente conocido como coronavirus humanos HCoV-229E y HCoV-OC43 menor sólo causa problemas de salud como el resfriado común y las enfermedades gastrointestinales. En cambio, el SARS-CoV patógeno causa fiebre, edema pulmonar, daño alveolar difuso y en las personas gravemente afectadas (en conjunto denominado síndrome respiratorio agudo y grave) [8]. SARS-CoV es también un singular coronavirus en que, hasta la fecha, es el único miembro conocido de causar grave morbilidad y mortalidad en los seres humanos [8]. Demostración de que el SARS-CoV puede causar graves problemas de salud pública se ha centrado la atención en la necesidad de comprender la estrategia replicativa viral y elaborar medidas profilácticas.

Los síntomas clínicos del SRAS son los de una infección del tracto respiratorio inferior y se acompañan de los daños a los pulmones [6, 9, 10]. Afectación gastrointestinal es también común, con más del 20% de los pacientes que se presentan con diarrea acuosa [11]. Las muestras de heces de pacientes con SRAS tomarse hasta 25 días después del inicio de la enfermedad contienen ARN viral, lo que sugiere diseminación de virus a través de las entrañas [5]. La disfunción hepática ha informado también sobre la base de observar la necrosis en hepatocitos [9, 12]. Post-mortem examen de tejidos de los pacientes de SRAS ha encontrado la presencia del virus en el pulmón, intestino, ganglios linfáticos, hígado, corazón, riñón, músculo esquelético y muestras [13]. El principal modo de transmisión del SARS-CoV es a través de gotitas en suspensión en el aire [14, 15]. Sin embargo, también hay informes de la presencia de virus en la reproducción de células de la sangre (células mononucleares de sangre periférica) y en las pequeñas y grandes intestino [11, 16]. Modos alternativos de transporte, como la sangre o fecal-oral, por lo tanto, son posibles.

El virus ha sido aislado de los animales salvajes (palma civetas del Himalaya y el perro mapache) que se encuentran en los mercados de animales de Guangdong, China [17]. El verdadero reservorio natural para el SARS-CoV es desconocida. Una vez transmitida a los seres humanos, el SARS-CoV parece evolucionar a fin de facilitar a una transmisión de persona. Análisis de secuencias de diferentes cepas de SARS-CoV desde comienzos de la epidemia muestran supresión hechos ocurridos en marco de lectura abierto 8 (Orf 8) [18]. Idénticas de las supresiones en Orf 8 también se han visto en los animales coronavirus apoyo a la idea de que el SARS-CoV se introdujo a los seres humanos a través de un animal intermedio. Además de la supresión hechos ocurridos principio y al final de la epidemia, una disminución de las mutaciones missense es visto a través del tiempo, con los más amplios cambios que se producen en la proteína S en las primeras fases del brote [18]. Esto sugiere que el virus ha sufrido algún nivel de adaptación, pero en última instancia se ha estabilizado en un momento en que la epidemia de SARS-CoV se ha hecho más virulenta. A descifrar el paso evolutivo de este virus, sin duda, proporcionará información valiosa sobre la prevención de futuros brotes.

A raíz de la epidemia de SRAS, una serie de excelentes artículos de revisión sobre los aspectos clínicos y moleculares de la epidemiología de SARS se han publicado. Estos comentarios se han centrado principalmente en los rápidos avances realizados en la identificación y caracterización de los genomas de SARS-CoV, así como la descripción de la etiología del virus y las características clínicas de la enfermedad [19 - 21]. Ahora, el SARS-CoV historia ha entrado en una nueva fase, la búsqueda de estrategias de prevención y curación. En esta revisión, los avances en la revelación de los aspectos moleculares del SARS-CoV biología y cómo tal información puede dar lugar a estrategias para la prevención de las enfermedades.

Breve panorama de la infección por SARS-CoV genoma

Coronavirus se subdividen en tres grupos basados en marcadores serológicos y genéticos [22]. Los grupos I, II y infectar a los mamíferos mientras que el grupo III es específico para la especie aviar. Grupo I miembros son los virus de la gastroenteritis transmisible porcina (TGEV) y la epidemia del virus de la diarrea (PEDV), coronavirus canino y felino (FCoV y CCoV), y el coronavirus humano 229E (HCoV-229E). Grupo II incluye porcina hemagglutinating virus de la encefalomielitis (VHE), el virus de la hepatitis murina (MHV), especies bovina, equina, y de rata coronavirus (BCoV, ECoV, y RtCoV), y OC43 coronavirus humano (HCoV-OC43). Grupo III incluye el coronavirus del pavo (TCoV), faisanes coronavirus y el virus de la bronquitis infecciosa aviar (IBV). Aunque más relacionadas con el Grupo II coronavirus, SARS-CoV, con algunos de sus singulares características genéticas, representa un grupo filogenético [22 - 24].

Hasta la fecha, aproximadamente el 61 SARS-CoV secuencias genómicas han sido analizados en representación de las diferentes fases de la epidemia (temprana, media y tardía) y dos aislamientos obtenidos de civetas de palmera [18]. El SARS-CoV genómico de ARN es de aproximadamente 30 kb y está organizada en 13 a 15 marcos de lectura abierta (ORFs) [25 - 27]. El SARS CoV gen estructural acuerdo sigue la misma tendencia que la mayoría de los genomas coronavirus: 5'-Replicase (ORF 1 bis) de la proteasa (ORF 1b)-Spike (S)-Sobre-(E) de membrana (M)-Nucleocapsid (N) -- 3 '[27]. Sin embargo, en contraste con otros coronavirus, dos ORFs de función desconocida se encuentra entre la S y E ORFs y 3-5 ORFs se encuentran entre M y N. Además, a pesar de la coincidencia entre la evolución de SARS-CoV y Grupo II coronavirus secuencias del genoma , El SRAS genoma carece de un gen de la hemaglutinina-esterasa (HE) de proteína, que es común a la mayoría de los coronavirus del grupo II [25]. Para una excelente representación pictórica de SARS-CoV genoma con funciones (o falta de) que se asignó a cada ORF, por favor refiérase a la reciente revisión por Tan et al [21]. Un hito importante en el SARS-CoV biología molecular es la construcción de un SARS-CoV cDNA de longitud completa que contienen un plásmido de ARN viral infecciosa que se pueden producir [28]. Este desarrollo facilita el estudio de SARS-CoV funciones de los genes y promover el esclarecimiento de la función para ORFs cuya función es aún desconocida [29]. Aunque ha sido la percepción de que estos ORFs no son esenciales para la replicación viral, que pueden desempeñar un papel en la manifestación o gravedad de la enfermedad.

Los avances en el SARS-CoV genoma basado en la biología evolutiva

Los virus ARN utilizar una variedad de mecanismos para el intercambio genético de su repertorio. El RNA viral RNA polimerasas dependientes (RdRP) tienen un índice de error en el que permite la diversificación de la secuencia genómica como producto de replicación. Se calcula que la tasa de error de un RdRp en 10 -3 a 10 -5 por nucleótidos [30]. Coronavirus también se someten a altas tasas de recombinación de RNA, proporcionando un mecanismo adicional por la que el virus puede ampliar rápidamente la diversidad genómica. El SARS-CoV polimerasa tiene una recombinación de genes de corte, lo que sugiere múltiples orígenes genéticos de esta molécula. [31]. Estos mecanismos evolutivos pueden haber facilitado la adaptación de los animales a cargo de SARS-CoV ancestro humano a la acogida, lo que sugiere que tales eventos en el futuro podría dar lugar a un virus con el aumento de la patogenicidad para los seres humanos o de uno capaz de infectar a varias especies. Recientes pruebas indican que el ser humano se ha adaptado el virus de SRAS cruzado a otra especie. Secuencia y análisis epidemiológicos revelaron que un SARS-CoV aislada de un cerdo se deriva de una cepa humana. La secuencia completa de nucleótidos de aislar el virus de cerdo (TJF designados) y un gen S árbol filogenético basado en el análisis reveló una relación más estrecha con el SARS-CoV humanos aislados que con coronavirus animal [32].

El progreso en la biología celular del SARS-CoV: Señalización vías

El éxito de la replicación viral depende de la capacidad del virus para subvertir los procesos celulares a su ventaja y contrarrestar los mecanismos de defensa celular. Tales interacciones célula-virus representan objetivos potenciales para el desarrollo de virus específicos de fármacos antivirales, terapéuticos, profilácticos y de las vacunas. Diferentes virus, en base a su objetivo de tipos de células y de las vías de entrada, difieren en su celular los mecanismos de explotación. El mecanismo de patogénesis del virus de SRAS in vivo pueden tener en cuenta tanto el efecto de la replicación viral en las células diana y la respuesta inmune del huésped. Las bases moleculares para el SARS-CoV replicación, la señalización de las vías afectadas y la respuesta inflamatoria provocada por la infección viral no están todavía claramente comprendidos. El progreso en estos ámbitos debería llevar a las estrategias preventivas más eficaces para contrarrestar las infecciones de SARS-CoV.

Se ha demostrado que el SARS-CoV N selectivamente proteínas activa el activador de proteína-1 (AP-1) la vía de transducción de señales, que regula una amplia variedad de procesos celulares incluyendo la proliferación celular, diferenciación y apoptosis [33]. Tales modificaciones inducidas viral de la vía AP-1 puede desempeñar un papel significativo en la estrategia replicativa viral. Recientemente, otro grupo demostró que la proteína S solos AP-1 induce la activación, y que la región de 324-688 aminoácidos en la proteína S es esencial para la activación de AP-1 que dependen de la inducción de IL-8 [34]. Otra proteína de SARS-CoV, el U122 ORF de función desconocida (también conocido como X4), se demostró que se producen en el virus de las células infectadas Vero E6 y de expresión de esta proteína por sí sola ha demostrado inducir la apoptosis en cultivos celulares [35, 36]. Esto plantea la cuestión de cómo la apoptosis de SARS-CoV las células infectadas es equilibrada a fin de que el virus de sobrevivir y propagar (Figura 1]. Esto se ha abordado, en cierta medida, en estudios recientes que indican que la infección por CoV-SRAS de células Vero E6 induce tanto pro-apoptótica [activación de p38 mitogen-activated proteína quinasa (MAPK)] y anti-apoptóticos [activación de la proteína quinasa B (PKB, también conocido como Akt)] vías de señalización, aunque Akt inducción parece ser insuficiente para evitar que el virus de la apoptosis inducida [37, 38]. Exactamente cómo el SARS-CoV manipula estas vías de señalización celular para facilitar la replicación viral queda por determinar.

Como se mencionó anteriormente, la inducción de IL-8 era la que se depende de la activación de AP-1 por el SARS-CoV proteína S, y en este proceso de NF-κ B no estaba involucrado [34]. Esto puede explicar en parte la observación clínica de la dramática tormenta de citoquinas (niveles séricos elevados de IL-6 y IL-8) y de la inflamación respuestas observadas en los pacientes de SRAS en la fase aguda asociada a lesiones pulmonares, se ha sugerido también que las elevaciones de la IL -6 E IL-8, debido a la infección por CoV-SRAS de las vías respiratorias puede provocar la hiper-respuesta inflamatoria innata [39]. Se establece que los celulares MAPKs regular AP-1 de activación dependientes de la inducción de IL-8 en las infecciones virales [40 - 42]. En la infección por CoV-SRAS, la inducción de IL-8 vía de señalización es tal vez relacionados con la enzima de conversión de angiotensina 2 (ACE2), como anticuerpos anti-ACE2 inhibir la inducción de IL-8 / [34]. ACE2 es el receptor celular para el SARS-CoV y el receptor de los sitios de unión de tipo virus se encuentran en la región de 12-672 aminoácidos de la proteína S [43].

Actualidad avances hacia el SARS-CoV estrategias de prevención

Durante el brote de SRAS que tuvo lugar en 2002-2003, la propagación de la enfermedad es principalmente controlada por los estrictos protocolos de cuarentena y medidas de aislamiento del paciente, así como por el amplio espectro de antibióticos y antivirales regímenes con o sin la administración de corticoides [44, 45] . Desde entonces, el caudal de información que ha surgido sobre el SARS-CoV biología molecular y celular, en su versión actualizada en las secciones anteriores de esta revisión, ahora ofrece el potencial para el desarrollo de las vías más eficaces de lucha contra el virus, así como estrategias de vacunas.

A. Fármacos antivirales

Coronavirus genoma estructura y las principales funciones de genes de los productos se han conocido por años, pero ya que causa enfermedad leve, la selección de los virus específicos de medicamentos antivirales no es una prioridad en el pasado. La epidemia de SARS-CoV cambiado esta opinión selectivo. Tan et al, 2004, tabulados dispone de una pantalla de agentes antivirales contra el virus de SRAS en detalle en su reciente revisión [46]. La evidente dianas moleculares para el SARS-CoV agentes antivirales son la polimerasa viral / replicase, la proteasa, el receptor, el mRNA viral tope-1 metil transferasa y NTPase / helicasa [47 - 54]. Además, una de 32 nucleótidos de largo, muy conservadas en la estructura del ARN 3 'sin traducir región de coronavirus y astroviruses fue identificado [55]. Esta estructura se asemeja a los 530 bucle de 16 años que participan en la traducción rRNA inicio sugiriendo un posible papel de este elemento en la traducción de acogida secuestrar maquinaria. El terciario interacciones de esta estructura crear un túnel forrado con carga negativa que Mg 2 + puede obligar. Esta singular estructura presenta un blanco atractivo para los fármacos antivirales túnel vinculante [55]. Por último, desde el funcional detalles de la mayoría de los coronavirus replicase productos genéticos no son conocidos, pruebas aleatorias de detección en los posibles compuestos antivirales bibliotecas será un área clave de descubrimiento de fármacos para el virus de SRAS en el futuro cercano [47].

B. El desarrollo de vacunas

Las vacunas son la mejor y menos costosa de medidas profilácticas contra los patógenos que causan epidemias en humanos. El hecho de que altos títulos de anticuerpos neutralizantes del virus de SARS-CoV se encuentran en el suero de los pacientes se recuperan de la infección y que las personas infectadas con el virus muestran mejoría después de la administración pasiva de anticuerpos sugiere una vacuna contra el SARS-CoV es posible y los puntos hacia los tratamientos basados en anticuerpos para La enfermedad [47, 56 - 58]. Sin embargo, en el desarrollo de vacunas contra el SARS CoV, hay lecciones que aprender del mundo de las vacunas veterinarias CoV. En un examen por Saif, se señaló que el objetivo general de coronavirus en las mucosas y, por tanto, la obtención de locales (mucosa), la inmunidad es una consideración importante en el desarrollo de vacunas contra el SARS-CoV; esto depende en gran medida del tipo de vacuna, sistemas de entrega, E inmuno-modulador adyuvantes utilizados [59]. Además, la inmunidad contra los animales CoV es generalmente de corto plazo, lo que exige impulsar el periódico, que al final puede no ser suficiente para prevenir la re-infección.

A pesar de estos posibles escollos en el desarrollo de una vacuna humana, los esfuerzos por desarrollar una vacuna para prevenir otro brote de SRAS están en marcha. Varios laboratorios de todo el mundo están trabajando a un ritmo sin precedentes para desarrollar una vacuna contra el SRAS utilizando esencialmente dos tipos diferentes de SARS-CoV-derivados inmunógenos, 1) todo el virus inactivado, y 2) el SARS-CoV codificados y N S proteínas utilizando métodos de ADN recombinante . La posibilidad de producción de un diseño vivo, atenuada SARS-CoV también ha sido considerado.

Conclusiones: Las limitaciones a las actuales estrategias de vacuna contra el SRAS

SARS-CoV claramente tiene potencial pandémico. Aunque los progresos en el SARS-CoV biología celular y molecular, la investigación ha sido notable, aún existen limitaciones claras en relación con el desarrollo de la vacuna debido a la falta de entendimiento completo en las áreas de modelos animales de la enfermedad, así como anfitrión de la respuesta inmune a la evolución molecular de la diversidad Este virus recién creados humanos. Precaución al utilizar los datos experimentales procedentes de un SARS-CoV cepa infección en una especie animal o línea celular en el desarrollo de una vacuna humana. El rápido desarrollo de un programa eficaz de la vacuna contra el SARS-CoV depende de la continuación de la investigación básica.

Un estudio sobre la evolución de la proteína S diversidad molecular en el SARS-CoV aislamientos y su inesperada profunda inmuno-efectos funcionales ilustra este punto [68]. La proteína S exhibió menor diversidad genética entre las 8 cepas de transmisión durante los brotes humanos a principios de 2003. Versiones sintéticas de estas variantes con S humanos preferido codones se realizarán las pruebas de 1) su capacidad de obligar a la del receptor (hACE-2), y 2) su sensibilidad a los anticuerpos de neutralización viral con pseudotypes. En estas series de experimentos, sustancial funcionales se encontraron diferencias en S derivado de un caso de la provincia de Guangdong aislar civetas de palmera y dos aislamientos. Los anticuerpos que neutralizan la mayoría de las cepas humanas derivados de las proteínas S inesperadamente una mayor entrada mediado por el virus de la civeta derivados de las proteínas S [68]. Esta novela de observación se hace hincapié en la necesidad de comprender el potencial molecular de la infección por SARS-CoV genoma en el desarrollo de vacunas para prevenir enfermedades humanas. Como se mencionó anteriormente, los estudios también señalan el hecho de que la variabilidad de la proteína S desde temprano a las fases finales de brote de enfermedad se ha detectado [18]. Hay una gran diferencia en nuestra comprensión de cómo el SARS-CoV interactúa con la célula huésped y la rápida evolución del genoma del SARS-CoV indica el potencial de la variabilidad de tales interacciones [25]. Desarrollo exitoso de vacunas contra el virus de SRAS, por lo tanto, depende de los progresos que hacemos en estas áreas en el futuro inmediato.

Conflicto de Intereses

Los autores declaran que no tienen intereses en conflicto.

De los autores Contribuciones

Autores contribuido igualmente al contenido intelectual de este artículo de revisión.

Renuncia

Las opiniones presentadas en este artículo no reflejan necesariamente las de la Administración de Alimentos y Drogas o gobierno de los Estados Unidos.

Agradecimientos

Damos las gracias a Stephen Feinstone y Ron Lundquist de CBER, FDA por sus críticas y de la Oficina del Programa Nacional de Vacunación (NVPO) a subvencionar CDA. CJS es apoyado por una beca postdoctoral administrado por el Oak Ridge Institute for Science and Education (ORISE).