Respiratory virus mRNA as competitive viral RNA increases host factors expression and facilitates viral infection and replication

Los virus que infectan los pulmones, como la gripe y el virus detrás del COVID-19, son maestros en el secuestro del cuerpo humano. Para hacer copias de sí mismos, estos invasores deben comandar la maquinaria interna de la célula, obligándola a construir nuevas partículas virales en lugar de mantener la propia salud de la célula. Durante décadas, los científicos han entendido que los virus hacen esto produciendo cantidades masivas de su propio material genético, conocido como ARN, que actúa como un plano para la construcción de proteínas virales. Sin embargo, un nuevo estudio de investigadores de la Academia China de Ciencias revela que estos planos virales hacen más que solo instruir a la célula para construir el virus; interfieren activamente con el propio sistema de comunicación de la célula. Esta interferencia involucra un tipo específico de molécula pequeña llamada microARN, que normalmente actúa como un freno, ralentizando la producción de ciertas proteínas humanas. Los investigadores descubrieron que los virus producen tanto de su propio ARN que este actúa como una esponja, absorbiendo estas moléculas de frenado y dejando que las proteínas humanas queden libres para funcionar a plena velocidad, un estado que el virus luego explota para replicarse más eficientemente.

El estudio se centra en dos virus respiratorios importantes: la cepa H1N1 de la influenza y el SARS-CoV-2. En el caso del virus de la gripe, los investigadores encontraron que un segmento específico del código genético del virus, llamado segmento PA, contiene una secuencia que coincide perfectamente con un microARN humano conocido como hsa-miR-10a-5p. Bajo circunstancias normales, este microARN se une a una proteína humana llamada CAMK2B y suprime su actividad. Sin embargo, cuando el virus de la gripe infecta una célula, inunda el entorno con ARN de PA. Este ARN viral compite con las instrucciones de la proteína humana por el microARN, robándole efectivamente la atención al microARN. Con el microARN ocupado por el ARN viral, la proteína humana CAMK2B es liberada de su supresión y se vuelve altamente activa. Los investigadores demostraron que esta proteína CAMK2B activa luego adjunta una etiqueta química, un grupo fosfato, a una proteína viral llamada M1. Este proceso de etiquetado actúa como una llave, desbloqueando la puerta de salida nuclear de la célula y permitiendo que el material genético del virus salga del núcleo y se ensamble en nuevos virus. Sin esta competencia, el virus se replica mucho más lentamente.

Los investigadores confirmaron este mecanismo creando una versión del virus de la gripe donde el segmento PA ya no podía unirse al microARN. Cuando este virus modificado infectó células, no logró activar la proteína humana CAMK2B de manera efectiva, y su capacidad para replicarse disminuyó significativamente en comparación con el virus de tipo silvestre. El equipo también observó que el virus produce un vasto exceso de su propio ARN en comparación con la cantidad de microARN disponible; en sus experimentos, el ARN viral estaba presente en cantidades que le permitían competir eficazmente con las instrucciones genéticas humanas. Esto sugiere que el virus no necesita mutar sus propias proteínas para ser más eficiente; simplemente abruma el sistema regulador de la célula con puro volumen.

Una estrategia similar se observó con el SARS-CoV-2, el virus responsable de la pandemia global. En este caso, el virus utiliza una sección diferente de su código genético, específicamente la región 3' no traducida (3' UTR), para competir por un microARN diferente llamado hsa-miR-1307-3p. Normalmente, este microARN mantiene bajo control a una proteína humana llamada CCZ1B. Cuando el SARS-CoV-2 infecta una célula, su abundante ARN 3' UTR se une al microARN, impidiendo que este suprima la CCZ1B. El aumento resultante en la actividad de la CCZ1B ayuda a la célula a transportar un receptor humano llamado ACE2 desde el interior de la célula hacia su superficie. Dado que el ACE2 es la puerta a través de la cual el SARS-CoV-2 entra en la célula, tener más de él en la superficie hace que la célula sea mucho más susceptible a la infección. Los investigadores encontraron que cuando bloquearon el microARN o aumentaron el ARN viral, la cantidad de ACE2 en la superficie celular aumentó, facilitando la entrada viral. Por el contrario, cuando redujeron la actividad de la CCZ1B, el virus tuvo dificultades para infectar las células.

El estudio también analizó cómo estos mecanismos podrían explicar las diferencias en el comportamiento de diversas cepas de estos virus. Los investigadores analizaron las secuencias genéticas de diferentes subtipos de gripe y variantes de SARS-CoV-2 para ver si estos sitios de unión competitiva se preservaban. Encontraron que los sitios de unión para el virus de la gripe estaban altamente conservados en cepas conocidas por sus altas tasas de replicación, como H1N1 y H7N9. Para el SARS-CoV-2, el sitio de unión estaba presente en variantes tempranas como Alfa, Beta y Gamma, así como en la subvariante inicial de Ómicron, pero mostró mutaciones o deleciones en subvariantes posteriores de Ómicron. Esto sugiere que el virus puede haber evolucionado para depender menos de este mecanismo específico en las nuevas cepas, o que otros factores han tomado el relevo. Los investigadores también observaron que, si bien las proteínas de espícula y la nucleocápside del SARS-CoV-2 aumentaron las señales inflamatorias en la célula, el 3' UTR impulsó específicamente el aumento de la proteína CCZ1B, destacando que diferentes partes del código genético del virus desempeñan roles distintos en la manipulación del huésped.

Al mapear estas interacciones, los investigadores proporcionaron una visión cuantitativa de cómo los niveles de ARN viral influyen en los niveles de las proteínas humanas. Demostraron que la relación sigue un patrón predecible donde la cantidad de proteína humana aumenta a medida que aumenta la cantidad de ARN viral, pero no en una línea recta simple. Esta relación matemática ayuda a explicar por qué algunos virus son más exitosos al replicarse que otros; no se trata solo de qué tan bien se une un virus a una célula, sino de qué tan eficazmente su material genético puede interrumpir la red regulatoria interna de la célula. El hallazgo sugiere que el puro volumen de ARN viral producido durante una infección es un factor crítico en la capacidad del virus para manipular al huésped. Esta competencia por los microARN parece ser una estrategia generalizada utilizada por los virus respiratorios para convertir las propias defensas del huésped en herramientas para su propia replicación.

Las implicaciones de este descubrimiento se extienden más allá de la comprensión de cómo funcionan estos virus específicos. Los investigadores identificaron que este mecanismo competitivo no se limita a uno o dos genes, sino que probablemente involucra una red de interacciones entre el ARN viral, los microARN y docenas de proteínas humanas. Visualizaron estas conexiones y encontraron que muchos factores humanos que ayudan a los virus a replicarse probablemente están regulados por este mismo efecto de "esponja". Esto significa que el virus no es solo un pasajero pasivo en la célula, sino un manipulador activo que remodela el entorno celular inundándolo con sus propias instrucciones genéticas. El estudio también señala que las mutaciones en las regiones no codificantes del virus, que no cambian las proteínas virales en sí mismas, aún podrían alterar drásticamente la capacidad del virus para infectar y propagarse al cambiar qué tan bien compite por estos microARN. Esto ofrece una nueva perspectiva sobre cómo evolucionan las cepas virales y por qué algunas se vuelven más infecciosas que otras.

En última instancia, la investigación proporciona una imagen más clara del forcejeo molecular que ocurre cuando un virus respiratorio infecta una célula humana. Muestra que el virus gana no solo construyendo sus propias partes, sino deshabilitando la capacidad de la célula para regular sus propias partes. El ARN viral actúa como un agente competitivo, secuestrando las pequeñas moléculas reguladoras que de otro modo mantendrían la maquinaria celular bajo control. Esto deja a las propias proteínas de la célula, que el virus necesita para su propia replicación, libres para funcionar a niveles altos. El estudio confirma que este mecanismo es una parte fundamental de cómo operan estos virus, ofreciendo un nuevo ángulo para comprender la patogénesis viral y, potencialmente, identificar nuevas formas de interrumpir el ciclo de infección mediante el objetivo de estas interacciones específicas entre el ARN viral y el humano.