Científicos argentinos descubren un singular mecanismo del virus del zika: despierta la defensa celular y luego la aprovecha para infectar 

Dicen quienes lo conocen que un principio técnico primordial del judo es la “no resistencia”. Al sumarse a la fuerza de su oponente, la o el judoca anula el esfuerzo contrario, optimiza el gasto de la propia energía, conserva el equilibrio propio y debilita el del oponente. Es decir, aprovecha las habilidades de su contrincante y las vuelve a su favor.

Cuál no sería la sorpresa de un grupo de investigadores argentinos al comprobar en el laboratorio y luego de varios años de meticuloso trabajo que el virus del Zika (que en 2015 y 2016 jaqueó zonas del Noreste de Brasil y provocó el nacimiento de miles de chicos con defectos congénitos) utiliza una estrategia similar para infectar las células: “Descubrimos algo totalmente inesperado e inusual –cuenta Andrea Gamarnik, investigadora superior del Conicet en la Fundación Instituto Leloir y líder de este proyecto–. Cuando el virus ingresa al organismo, enciende un sistema de alarma que luego usa para su propio beneficio, para infectar mejor y para producir más virus; es decir, lo ‘hace cambiar de bando’”. El trabajo se publica hoy en la revista Nucleic Acids Research.

Detectado por primera vez en 1947 en el bosque de Uganda del que proviene su nombre, el Zika permaneció durante décadas recluido en África, con excepción de pequeños y esporádicos brotes en Asia. Pero en 2016 se convirtió en un formidable reto para América. Se notificaron 532.000 sospechas de infección en 48 países y territorios, entre las cuales 175.063 se confirmaron. Además, dado que atraviesa la placenta y puede producir graves trastornos neurológicos en los recién nacidos, 22 países y territorios notificaron 2439 casos de síndrome congénito asociado con el Zika; es decir, bebés que nacieron con microcefalia (cerebro pequeño), contracturas de las extremidades, tono muscular elevado, anomalías oculares y pérdida de la audición.

De allí, el interés por entender los mecanismos moleculares que le hacen posible esta acción devastadora. Aunque muchos se conocen, otros se mantienen ocultos en una caja negra que se resiste a revelar su contenido. “Nuestras células guardan en su núcleo la información codificada en el ADN, que pasa a ARN para producir todas las proteínas de nuestro cuerpo –explica Gamarnik–. Los virus tienen su material genético directamente como ARN. En el caso del Zika y también del dengue, ese código es muy pequeño, de apenas 11.000 letras. Pero hay una porción al comienzo y al final que no se ‘traduce’ en proteínas [es ‘no codificante’] y cuya función nos desconcertaba. Se trata de un sistema que se generó como producto de un proceso evolutivo. El ARN se pliega en el espacio formando estructuras y esa parte forma como un nudo que hace que una proteína que lo degrada, que ‘se lo come’ en las células infectadas, no lo puede atravesar. Quedan esos pedacitos ahí sueltos en la célula que no sabíamos para qué eran”.

El enigma, que le quita el sueño a Gamarnik desde hace 20 años, es tema de estudio en su laboratorio: cómo se pliegan en el espacio los trozos de ARN que están en los extremos del material genético del virus y de todo ARN de la célula. “Esos extremos de las moléculas no se leen, no tienen código para producir proteínas –subraya–. Sin embargo, llevan mensajes, señales que gobiernan cómo funciona ese ARN. En el virus del dengue o de Zika, que tienen 11.000 letras, más de 10.000 corresponden a esa información, a ese código que se lee a través de los ribosomas que producen proteínas. Pero las mil letras que están de un lado y del otro del código no se leen, la información que llevan es espacial, no está en las letras [del alfabeto genético]”.

El primer hallazgo trascendente que realizó Gamarnik con su equipo, allá por 2006, fue precisamente demostrar que al comienzo y al final del ARN viral del dengue hay 100 letras que le permiten multiplicarse, algo que le mereció el Premio L’Oréal-Unesco Internacional por las Mujeres en la Ciencia. Descubrieron que ese segmento del virus se pliega en el espacio de tal forma que atrapa una proteína (la polimerasa) que le permite reproducirse.

“Esas regiones de los dos extremos son silenciosas, porque no se traducen, pero son las que gobiernan –destaca la investigadora–. Le indican al ARN cómo debe funcionar,  cómo se multiplica, cómo se traduce, cómo se ubica en algún lugar de la célula. Es como una caja negra, porque no se puede predecir, cambia de ARN en ARN. O sea, si uno compara las decenas de miles de ARN mensajeros de la célula, cada uno tiene sus extremos diferentes y funcionan de acuerdo con su necesidad particular. Los virus también tienen allí su receta de instrucciones, de cómo va a funcionar el lenguaje que llevan codificado, que es el código genético. En el dengue y el Zika, esos extremos son muy parecidos, por eso siempre los estudiamos en forma comparada”.

Trabajando con cristalografía de rayos X, los científicos pudieron determinar cómo es la disposición de este ARN en el espacio. La propia Gamarnik lo representó artísticamente en el cuadro de aproximadamente un metro por un metro que ilustra esta nota como parte de un proyecto que une arte y ciencia. 

Otro aspecto singular es que el sistema es producto de un proceso evolutivo. “Los virus de ARN mutan muy, muy rápidamente, son máquinas evolutivas –explica la científica–. Los organismos superiores no lo hacen, porque hay tanto que tiene que funcionar bien, que los cambios son minúsculos. Pasan miles de años y nosotros seguimos siendo prácticamente los mismos, mientras que los virus pueden cambiar mucho en términos de semanas, meses. A medida que infectan una célula y la vuelven a infectar, se van adaptando y se van escapando de los sistemas de defensa. ¿Por qué? Porque hay mutaciones en algún miembro de la población del virus que adquiere la habilidad de escaparse. Entonces, por un proceso darwiniano, ese virus se selecciona. Y la progenie, los que se copian a partir de ese, van a funcionar mejor y les ganan a otros”.

Los investigadores experimentan con esos procesos evolutivos en el laboratorio. Por ejemplo, le “editan” al virus una parte y ven qué pasa cuando lo insertan en una célula. Después de varias semanas, observan si se multiplicó, “leen” el código genético del ARN (lo secuencian) y se fijan si adquirió una función esencial para producir la infección. “Son experimentos fascinantes –comenta Gamarnik–. Porque uno no tiene idea de con qué se va a encontrar. De pronto aparecen cosas totalmente inesperadas”.

Este trabajo, que comenzó antes de la pandemia, un período en el que dejaron todo “en pausa” para abocarse a desarrollar herramientas para controlarla, se concentró en estudiar cuál es la función de esas pequeñas moléculas que se acumulan en la célula infectada con Zika, pero también con dengue y con fiebre amarilla. 

“Lo primero que vimos fue que estas moléculas utilizaban un sistema de alarma de la célula para defenderse del virus –detalla–. Pero lo que descubrimos es que esa alarma que se enciende es un mecanismo que el virus logra activar de tal forma que lo usa para su propio beneficio, lo usa para infectar mejor y para producir más virus. El mecanismo molecular por el cual esto funciona es sumamente novedoso. Lo más común es que un virus infecte y desactive el sistema de defensa de la célula por distintos medios. ¡Pero acá lo activa y luego lo usa para su propia supervivencia!”.

Para el virólogo del INTA Humberto Debat, que no participó en este paper, el estudio es muy elegante y “super interesante”. “Lo central de este trabajo es la elucidación de un mecanismo –explica–. Los virus tienen un genoma extremadamente condensado, muy pequeño, con el cual tienen la capacidad no solo de replicarse, sino de evitar que los mecanismos celulares inhiban esa replicación. Y para ello evolucionaron para condensar la información de una manera increíble y exitosa. Una de las estrategias que emplean es que más allá de la información asociada con los genes que expresan las proteínas del virus, tienen algunas regiones no codificantes. Es decir que su función no consiste en la generación de proteínas, sino que son básicamente pedazos del ARN viral que por su forma, estructura y secuencia fueron seleccionados para ser parte del proceso de infectividad. En este caso, ellos estudiaron dos pequeños ARN que se  están ‘aguas abajo’ de los genes del virus Zika, que no se traducen. Se sabía por estudios anteriores, algunos de la misma Andrea, que inhibían la respuesta antiviral y favorecían la patogénesis. Ahora, lo que hacen es ver cómo sucede. Entender estos mecanismos tiene implicancias para desarrollar estrategias que permitan identificar cuáles son los mejores blancos para inhibir la replicación viral. Es un trabajo muy, muy lindo y se publica en una revista de las más prestigiosas en lo que hace a mecanismos asociadas con los ácidos nucleicos”.

“Todas las células eucariotas (con núcleo) tienen un mecanismo de respuesta integrada al estrés (también denominado respuesta inmune innata) que las prepara para mantenerse funcionando aún cuando detectan algún factor que puede implicar riesgo de vida –explica Mario Lozano, virólogo y ex rector de la Universidad de Quilmes, que tampoco firma el trabajo–. Entre los factores que detectan están la inanición, la carencia de hemo (la molécula que es la base de la hemoglobina), la presencia de proteínas deformadas y, por supuesto, las infecciones virales. El proceso está coordinado por al menos cuatro proteinas que responden al estrés: PERK (que responde al mal plegamiento de proteínas), PKR (que responde a la infección viral), HRI (que responde a la deficiencia de hemo, y al estrés oxidativo y mitocondrial) y GCN2 (que responde a privación de nutrientes). Cuando alguna de estas proteínas se activa, emite señales que termina frenando la traducción tradicional (que utiliza la lectura de los ARN mensajeros en los ribosomas para sintetizar proteínas) y el metabolismo celular. La PKR se activa cuando detecta la presencia de un ARN bicatenario (que en general es un intermediario de la replicación viral)”. 

Los virus secuestran la maquinaria de síntesis de proteínas de la célula anfitriona para producir proteínas virales y empaquetar nuevas partículas virales. Según explica Lozano, cuando se activa la proteína celular PKR y se inhibe la traducción, disminuye la capacidad de los virus para reproducirse. Por eso, estos microorganismos implementan estrategias de evasión para contrarrestarla: algunos esconden su ARN en vesículas impidiendo que se ponga en contacto con la PKR, otros generan proteínas que la degradan o que bloquean su activación, otros usan un mecanismo de traducción diferente. 

“Lo que describe el grupo de Andrea Gamarnik y acaban de publicar en una excelente revista –dice Lozano– es que encontraron un novedoso mecanismo en el virus Zika que, en lugar de evadir la inhibición de la traducción por parte de PKR, lo utiliza para mejorar su capacidad de reproducción. Para hacer esto, primero esconde su genoma de la PKR. Así, comienza a generar los componentes necesarios evitando que la célula se entere de su presencia. Además, crea unos fragmentos de ARN, denominados pequeños ARNs de los flavivirus (sfRNA, según sus siglas en inglés), que sí se ponen en contacto con PKR, la activan y permiten que a partir de ese momento inhiba la síntesis de las proteínas celulares. Es decir, que por un lado logra que la célula quede inerme y, por el otro (ya sea porque encuentra un mecanismo diferente del tradicional para sintetizar sus proteínas o porque las que ya sintetizó son suficientes para generar la progenie viral), se reproduce”. Es decir, que la proteína PKR, que normalmente funciona como un dique para que los virus no se multipliquen, en el caso del Zika trabaja a su favor. 

Encabezado por Horacio Pallarés, primer autor del paper con el que concluye su tesis doctoral, el trabajo exigía contar con una metodología compleja y con equipamiento que no había en el país. Para eso, Pallarés viajó tres meses a los Estados Unidos a trabajar en el laboratorio del argentino Ariel Bazzini, en el Instituto Stowers y volvió con todos los resultados para analizarlos en el país. 

“Bazzini fue investigador del INTA Castelar, comenzó su carrera bajo la guía de Sebastián Azurmendi –cuenta Debat–. Trabajaba en plantas, estudiando qué mecanismos hacían que los virus generen sintomatología. En conjunto con Sebastián, descubrieron el rol de unas pequeñas moléculas de ARN que se llaman microARN y publicaron trabajos hermosos. Su carrera fue avanzando, hizo un posdoctorado en los Estados Unidos, en un grupo muy importante, y finalmente fue a hacer otro posdoc a Yale en expresión génica. Quizás lo más llamativo de esto fue que en dos años, Ariel cambió totalmente de sistemas, dejó de investigar en  plantas y se puso a trabajar con el pez cebra, un modelo experimental de animales, y fue el primer autor de un trabajo espectacular que se publicó en la revista Science. Es decir que, en poquísimo tiempo, cambió de modelo, y tuvo que aprender todas las técnicas asociadas y los enfoques experimentales de un mundo totalmente distinto. Ojalá algún día vuelva a la Argentina, pero este tipo de asociación muestra que siempre está disponible para colaborar con gente de  nuestro país”.

Para Lozano, este trabajo proporciona herramientas y conocimientos invaluables sobre los mecanismos críticos de la respuesta integrada al estrés celular, en particular las implicadas en la defensa antiviral, y de los mecanismos que utilizan los virus para evadirla o para, como en este caso, cooptarla a su favor. “Además –agrega–, nos ayuda a entender cómo los sfRNA de los flavivirus permiten desarmar las defensas celulares y explotarlas para mejorar la infección viral. Los autores también se preguntan si estos resultados podrán extrapolarse a otros flavivirus de importancia sanitaria, como el virus del dengue, el de la fiebre amarilla, el de la encefalitis de Saint Louis o el de la encefalitis de West Nile. Estos resultados de biología básica tienen también un costado de importantes aplicaciones; en particular, en la salud pública”.

Gamarnik aclara que lo que descubrieron es un conocimiento básico sobre cómo hace el virus para infectar mejor. “Logramos hacer virus modificados en el laboratorio a los que les eliminamos este pedacito y la célula se los saca de encima enseguida; en 48 horas es capaz de resolver la infección –comenta–. Quiere decir que estos pedacitos de ARN son fundamentales para que el virus sea infectivo. Esa información puede servir para el diseño de estrategias antivirales, pero no directas. Entender cómo producen daño e infectan mejor nos puede enseñar sobre posibles nuevos cambios que hagan que un virus que normalmente no produce nada termine siendo epidémico y causando grandes problemas de salud pública. Estos descubrimientos son importantes para el desarrollo de nuevas estrategias antivirales. Y algo no menor es que durante el recorrido de este trabajo tuvimos que desarrollar nuestras propias herramientas, porque cuando empezamos, allá por 2017, la gente no sabía nada de Zika. Tuvimos que construir lo que se conoce como ‘clones infecciosos’, para lo cual tenemos que tomar una muestra de una persona infectada, extraer el virus y copiar las 11.000 letras de su ARN, pasarlas a ADN y ponerlas en un sistema donde pudiéramos manipularlas con ingeniería genética. Así, produjimos uno de los primeros clones infecciosos de Zika del mundo. Esa es la base para hacer cualquier vacuna. Para hacer virus atenuados (como los que se usan en la vacuna del dengue) se necesitan clones infecciosos. En Zika no había y nosotros creamos el nuestro que podría dar lugar al desarrollo de vacunas, si hubiera interés”. 

Y concluye: “Algo para subrayar es que este trabajo empezó en el gobierno de Mauricio Macri, se profundizó en el de Alberto Fernández y concluyó ahora. Atravesó todos los altibajos. Eso muestra que en ciencia hay que ir más allá del gobierno de turno, se requieren políticas de Estado. Y algo que muchas veces se desconoce: en gran parte fue financiado por un subsidio de medio millón de dólares de los Institutos Nacionales de Salud de los Estados Unidos (NIH); es decir, que la ciencia también trae dólares al país”.

Según un comunicado de la FIL, dentro del grupo de los flavivirus, unos 50 pueden causar enfermedad en los seres humanos. Por eso, en el laboratorio de Gamarnik ya comenzaron un nuevo proyecto que intentará identificar qué tienen en común. La meta es ambiciosa: desarrollar antivirales universales, que funcionen para todos esos virus.

El resto de los autores del trabajo de Nucleic Acids Research son María Mora González López Ledesma, Santiago Oviedo-Rouco, Guadalupe Costa Navarro, Ana J. Fernández-Alvarez y María Josefina D’Andreiz, todos ellos de la FIL. Luciana Castellano y Víctor Daniel Aldas-Bulos, del Stowers Institute for Medical Research, en Kansas, Estados Unidos. Y Diego E. Alvarez, del Instituto de Investigaciones Biotecnológicas de la Universidad Nacional de San Martín.