Factores solubles con actividad antiviral: en búsqueda de nuevos blancos terapéuticos para la infección por el VIH-1

Soluble factors with antiviral activity: searching for new therapeutic targets to HIV-1 infection

Fatores solúveis com atividade antiviral: em busca de novos alvos terapêuticos para a infecção pelo HIV-1

Susana Urquijo Sánchez¹*; Natalia Andrea Taborda Vanegas¹*; María Teresa Rugeles López¹

1 Grupo Inmunovirología, Facultad de Medicina, Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia. maria.rugeles@udea.edu.co

* Las autoras Susana Urquijo y Natalia Taborda contribuyeron por igual a este trabajo.

Recibido: diciembre 29 de 2013
Aceptado: mayo 06 de 2014

RESUMEN

Los mecanismos innatos antivirales han resultado de gran interés debido a su uso potencial para la prevención y tratamiento de la infección por el VIH. En particular, los factores solubles antivirales han sido objeto de múltiples investigaciones por su capacidad de inhibir diferentes pasos del ciclo replicativo viral y de potenciar la respuesta inmune del hospedero. Entre estos factores solubles se destacan TRIM-5α, APOBEC3G, SAMHD1, ELAFIN, SERPINA1 y SLPI, que actúan directamente sobre la partícula viral o la célula, o promueven la producción de moléculas involucradas en la respuesta inmune contra el virus. Algunos de ellos se han correlacionado con un bajo riesgo de adquirir la infección por el VIH o con una lenta progresión a sida. La exploración de los mecanismos antivirales de estas proteínas es requisito para el desarrollo de nuevas alternativas terapéuticas.

Antivirales, Inmunidad, Proteínas Virales, Replicación Viral, Síndrome de Inmunodeficiencia Adquirida, VIH

SUMMARY

Antiviral innate mechanisms have a potential use in developing preventive and therapeutic strategies against HIV. Specifically, antiviral soluble factors have been evaluated in multiple investigations, based on their capacity to inhibit different steps of the viral cycle, and to increase the host immune response. Among these factors, TRIM-5α, APOBEC3G, SAMHD1, ELAFIN, SERPINA1 and SLPI are of particular interest, as they can act directly on the viral particle or the cell, or promote the production of molecules related to the viral immune response. Some of these factors have been associated with a low risk of HIV infection or slow progression to AIDS. Evaluation of mechanisms exhibited by antiviral proteins is a requirement for developing new therapeutic alternatives.

KEY WORDS

Acquired Immunodeficiency Syndrome, Antivirals, HIV, Immunity, Viral Replication, Viral Proteins

RESUMO

Os mecanismos inatos antivirais resultaram de grande interesse devido a seu uso potencial para a prevenção e tratamento da infecção pelo HIV. Em particular, os fatores solúveis antivirais foram objeto de múltiplas pesquisas por sua capacidade de inibir diferentes passos do ciclo replicativo viral e de potenciar a resposta imune do hospedeiro. Entre estes fatores solúveis se destacam TRIM-5α, APOBEC3G, SAMHD1, ELAFIN, SERPINA1 e SLPI, que atuam diretamente sobre a partícula viral ou a célula, ou promovem a produção de moléculas envolvidas na resposta imune contra o vírus. Alguns deles se correlacionaram com um baixo risco de adquirir a infecção pelo HIV ou com uma lenta progressão a aids. A exploração dos mecanismos antivirais destas proteínas é requisito para o desenvolvimento de novas alternativas terapêuticas.

PALAVRAS CHAVE

Antivirais, Imunidade, Proteínas Virais, Replicação Viral, Síndrome de Imunodeficiência Adquirida, HIV

INTRODUCCIÓN

La infección por el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) se ha convertido en un problema mundial de salud pública, que alcanzó en 2012 cerca de 35,3 millones de individuos infectados en el mundo; en ese mismo año se reportaron cerca de 2,3 millones de nuevas infecciones y más de 1,6 millones de muertes asociadas al sida (1).

Se han descrito diferentes mecanismos de resistencia a la infección o a su avance, entre los cuales se destacan factores solubles con actividad antiviral no citotóxica, que pueden actuar en diversos blancos y en distintas etapas del ciclo replicativo, como se describirá más adelante.

Desde hace más de 25 años se vienen estudiando los factores solubles antivirales con el objetivo de establecer nuevos blancos terapéuticos que permitan el desarrollo de nuevos medicamentos para el control de esta infección. De hecho, se están llevando a cabo varios ensayos in vivo para evaluar la utilidad de nuevas alternativas terapéuticas desarrolladas con base en los hallazgos de la actividad antiviral in vitro de los factores solubles (2-4). Debido a que recientemente algunas de estas proteínas han cobrado un interés particular en la búsqueda de factores protectores contra el VIH, serán objeto de estudio en esta revisión.

EL VIH COMO HUÉSPED HUMANO

La infección se inicia con la interacción de la molécula gp120 del virus con el receptor CD4 expresado principalmente en los linfocitos T (LT), lo cual promueve la interacción del virus con los correceptores virales CCR5 o CXCR4, induce la fusión de la membrana celular con la envoltura viral y permite el ingreso de la cápside y la liberación del genoma viral al citoplasma (5,6). A partir del RNA viral se produce la transcripción inversa mediante la cual la transcriptasa reversa (TR) del virus sintetiza cDNA; se forman entonces regiones no codificantes necesarias para que la integrasa (IN) viral reconozca este cDNA citoplasmático y forme el complejo de preintegración que es transportado hasta el núcleo, donde inserta el cDNA viral al genoma celular. A partir de este momento, el virus emplea la maquinaria celular para favorecer la transcripción del DNA viral y la traducción de las proteínas virales en una cadena larga, que posteriormente es procesada por la proteasa para producir proteínas pequeñas, que son ensambladas y empaquetadas junto con dos cadenas de RNA viral; finalmente, el virión sale de la célula por gemación, e inicia una nueva ronda de replicación (7). Una vez instaurada la infección hay una tasa alta de replicación viral, particularmente en el tejido linfoide asociado a la mucosa del tracto gastrointestinal, induciendo un deterioro progresivo de esta mucosa lo que promueve la translocación de microorganismos y sus productos del intestino a la circulación sistémica; se produce una activación constante de las células del sistema inmune, apoptosis, fibrosis y atrofia de los órganos linfoides. Debido a que la mayor proporción de células que mueren durante la infección por el VIH no están infectadas, este fenómeno de hiperactivación inmune constituye el principal mecanismo de disfunción y muerte celular que afecta a la gran mayoría de las células del sistema inmune, como linfocitos, células NK y células dendríticas, entre otras. Todos estos fenómenos potencian la pérdida del control de la replicación viral y la aparición del estado de inmunosupresión conocido como sida (8).

Dependiendo de la velocidad de progresión a sida, se han establecido diferentes patrones, que incluyen a los progresores rápidos, típicos y lentos (9). También existe otro grupo de individuos denominados controladores, quienes en ausencia de terapia antirretroviral mantienen cargas virales bajas e incluso indetectables (10,11). Finalmente, se han reportado individuos expuestos seronegativos (HESN), que, a pesar de haber estado expuestos de manera persistente al virus por contacto sexual o parenteral, no tienen evidencia clínica de la infección (12). La existencia de individuos que resisten la infección por el VIH ha despertado el interés científico, dado que a partir de la caracterización de los mecanismos responsables del control viral se han propuesto alternativas terapéuticas, algunas de las cuales hacen parte del esquema actual de tratamiento de algunos pacientes infectados con el VIH (13,14).

FACTORES SOLUBLES CON ACTIVIDAD ANTI-VIH

Los factores solubles con actividad anti-VIH actúan a diferentes niveles como se describe a continuación: 1) interactúan con glucanos de la envoltura viral, bloqueando la interacción con receptores celulares (15); 2) interactúan con proteínas de la membrana viral, induciendo degradación proteosomal (16); 3) inhiben diversas proteínas virales, como la transcriptasa reversa, la integrasa y la proteasa, y proteínas celulares como la proteína-cinasa C (PKC) y el complejo proteico NF-κB, afectando los procesos en los que intervienen (17-20); 4) inducen mutación del genoma viral por deaminación de nucleótidos (21); y 5) promueven el agotamiento de los desoxinucleósido-trifosfato (dNTP) intracelulares durante la infección, inhibiendo la transcripción reversa (22).

Algunos de los factores solubles con actividad inhibidora del VIH son la MBL (lectina unidora de manosa), proteínas del complemento, β-quimiocinas como RANTES (regulador de activación expresado y secretado en células T), CCL5, MIP1 (proteínas inflamatorias de macrófagos)-α y -β, IFN (interferón)-γ, TNF (factores de necrosis tumoral)-α y -γ, α-defensina-1, CAF (factor antiviral derivado de LT CD8), TRIM (motivo tripartito)-5α, APOBEC (apolipoproteína B, editor enzimático de RNA y catalítico de polipéptidos)-3G, SAMHD (motivo estéril alfa, dominio histidina-aspártico)- 1, SERPINA1 (alfa 1-antitripsina), SLPI (inhibidor secretorio de peptidasas leucocitarias) y ELAFIN (inhibidor específico de elastasa), entre otros. En esta revisión nos centraremos en algunos de estos que han cobrado importancia en estudios recientes, debido a su actividad antiviral y su potencial aplicabilidad en medidas farmacológicas que ayuden a contrarrestar la infección (figura 1).

TRIM5-α

TRIM5-α pertenece a la familia de proteínas TRIM, es codificada por el gen REF1 humano y se produce en respuesta al IFN-α. Presenta un anillo con unión de múltiples moléculas de zinc, una caja B, una bobina en espiral y un dominio de ciclofilina o dominio SPRY. Esta proteína se encuentra en cuerpos citoplasmáticos y asociada a microtúbulos celulares, lo que facilita la interacción con el virus en las etapas tempranas de la replicación llevadas a cabo en el citoplasma (23,24).

Distintos informes sugieren que TRIM5-α tiene potencial anti-VIH por medio de su dominio SPRY, que reconoce y se une a las proteínas de la cápside del virión en el citoplasma; posteriormente, el anillo rico en zinc actúa uniendo enzimas de ubiquitinización como la E3 ligasa, desencadenando la unión covalente entre proteínas virales y moléculas del complejo de ubiquitina (16,25). Esta señal activa el complejo del proteosoma para la degradación de las proteínas de la cápside viral, con lo que causa la exposición prematura del RNA y de las proteínas virales, promueve su degradación y afecta los procesos de transcripción inversa y de preintegración viral (26,27). Además de la disminución del número de partículas virales, este proceso potencia la respuesta inmune, ya que, como producto de la degradación de las proteínas del virus, hay una acumulación de péptidos virales que pueden ser presentados a los linfocitos T CD8+ promoviendo su activación (28). Estudios de esta proteína señalan que los niveles de mRNA de TRIM5-α fueron significativamente mayores en los individuos expuestos al VIH que permanecieron sin infectar, comparados con los que adquirieron la infección; ello sugiere que los niveles elevados de TRIM5-α están asociados con bajo riesgo de adquirir la infección por el VIH (29).

En algunos estudios en humanos, a semejanza de lo descrito en Macacus rhesus, una mutación de esta proteína, que se asocia con un aumento de su actividad anti-VIH, se correlacionó con resistencia a la infección (30,31).

APOBEC3G hace parte de la familia APOBEC y es inducida por el IFN-α. Su actividad se da en el citoplasma, específicamente en los cuerpos citoplasmáticos de macrófagos, células dendríticas y linfocitos en respuesta a los retroelementos endógenos, limitando la propagación de infecciones virales como el VIH (32-34). Actúa editando secuencias de RNA y DNA extraños, deaminando citosina (C) a uracilo (U); este cambio conduce a que durante la escisión por reparación de bases se presenten cambios de G por A, acumulando múltiples codones de parada y generando un bloqueo específico en la transcripción inversa; de esta manera se suprime la síntesis de la cadena positiva de cDNA y se induce su degradación por endonucleasas antes de la integración del provirus. APOBEC3G se incorpora selectivamente en la partícula viral, junto con las proteínas virales, para generar mutaciones en el momento en que se inicie la transcripción inversa en la nueva célula hospedera (35). Sin embargo, el virus ha desarrollado mecanismos eficientes para neutralizar la acción de APOBEC3G, por medio de la proteína Vif, que facilita la unión de la ubiquitina-ligasa E3 a APOBEC3G y promueve su degradación proteosomal por medio de la formación del complejo Vif-BC-Cul5. En respuesta, la célula puede aumentar la expresión de APOBEC3G y finalmente contrarrestar el efecto de Vif, en cuyo caso se acumula la producción de mutaciones y viriones no infecciosos y disminuye la viremia (36,37). Recientemente se informó sobre dos moléculas sintéticas denominadas IMB-26 e IMB-35, que tienen la capacidad de inhibir la degradación de APOBEC3G, interrumpiendo la unión de las proteínas del complejo Vif-BC-Cul5 con APOBEC3G y deteniendo así el proceso de degradación proteosomal (38).

Cuando se evalúa el papel de APOBEC en la resistencia natural al VIH, se observa un aumento de su mRNA en HESN y en progresores lentos, en comparación con pacientes en fase de sida (39-41), lo que sustenta su papel protector durante la infección por el VIH.

SAMHD-1

SAMHD1 es una proteína inducida por el IFN-α. Se expresa en el núcleo y en el citoplasma de macrófagos, células dendríticas y LT CD4+ (42,43). Presenta dos dominios: SAM, asociado a su actividad exonucleasa, y HD, asociado a sus actividades exonucleasa y trifosfohidrolasa. Su actividad trifosfohidrolasa se presenta principalmente en células en reposo, en las cuales se encuentra en estado no fosforilado y actúa hidrolizando dATP, dTTP, dCTP, dGTP, e incluso dUTP, en deoxinucleótido y trifosfato orgánico. En células activadas, SAMHD1 es fosforilada en el residuo 592 por la ciclina celular A2/ cdk1 para aumentar los niveles de dNTP, por lo que su actividad antiviral es ineficiente (44). En células en reposo, el ciclo de replicación viral no es completo, por lo que se acumulan en el citoplasma productos de la síntesis de DNA viral y ácidos nucleicos virales, que inducen una respuesta celular que favorece el estado inflamatorio crónico característico de la infección; en este proceso se estimula la producción de IFN-α que actúa disminuyendo la fosforilación de SAMHD1 en las células vecinas activadas y reduciendo los niveles de dNTP disponibles para el virus a niveles menores que los requeridos por la TR para la síntesis del cDNA viral. Su actividad exonucleasa, descrita recientemente, permite la escisión de nucleótidos de las cadenas sencillas de RNA y DNA a partir de sus extremos 3' - 5', induciendo su degradación (45,46).

Durante la infección por el VIH-2, pero no por el VIH-1, SAMHD1 es inhibida en el núcleo por la proteína Vpx (47-49). Para contrarrestar este mecanismo, SAMHD1 presenta formas modificadas en el citoplasma celular que no logran ser degradadas por acción de Vpx, conservando la función antiviral. Además, en las células dendríticas la alta producción de IFN-α bloquea la acción de Vpx, inhibiendo la formación del complejo de degradación (50).

ELAFIN

ELAFIN se deriva del precursor TRAPPIN. Se localiza en el núcleo de neutrófilos y células epiteliales cervicales, a partir de los cuales es secretado a la mucosa vaginal en respuesta a la IL-1β, al TNF-α y a ciertos microorganismos (51-53). ELAFIN cuenta con una región de unión de transglutaminasa y un dominio C-terminal WAP que inhibe la elastasa de la pared celular, la cual interviene en la fusión de las membranas celular y viral; esta actividad la ejerce tanto en las células que la producen como en sus vecinas, evitando la unión y la transcitosis del VIH a través del tracto vaginal (54,55). Es una molécula quimiotáctica para macrófagos y neutrófilos, disminuye la secreción de IL-8 y de TNF-α, ayudando a controlar una proteólisis excesiva y reduciendo el proceso inflamatorio y el daño de la barrera epitelial de la mucosa, lo cual limita la propagación del virus (56-58).

Se han encontrado concentraciones altas de ELAFIN en el tracto genital de las mujeres que han estado expuestas al VIH y no se han infectado, en comparación con las no expuestas o VIH positivas, lo que ha llevado a sugerir que ELAFIN es un factor innato, relacionado con la protección natural frente a la infección adquirida durante las relaciones vaginales (62,63).

SERPINA1

SERPINA1 es una glicoproteína de la familia de las proteínas inhibidoras de proteasas de la membrana celular como la elastasa y la catepsina G, con las cuales interactúa el virus durante la fusión con la célula. Se produce principalmente en el hígado en respuesta a la IL-6 y la oncostatina M, y en los neutrófilos en respuesta a la IL-1β, el TNF-α y los lipopolisacáridos (64).

Es secretada en el fluido vaginal, la saliva, la leche y el semen; aumenta en procesos infecciosos e inflamatorios para la protección del tejido, ya que regula la respuesta inmune inhibiendo proteasas y la producción de radicales de oxígeno en los neutrófilos, induciendo la liberación de IL-10 y bloqueando o disminuyendo el TNF-α y quimiocinas como IL-8 y la proteína quimiotáctica de monocitos. Además, promueve la generación de células T reguladoras mediante la disminución de la producción de IL-6. De otro lado, limita la expansión de procesos infecciosos porque estimula la respuesta de linfocitos T citotóxicos (65-69).

En los últimos años la SERPINA1 ha adquirido gran importancia frente a la infección por el VIH, porque se ha demostrado que inhibe la replicación viral in vivo e in vitro en líneas celulares infectadas. En ausencia de SERPINA1, la gp120 viral interactúa con la elastasa de la membrana celular para la fusión con la célula. SERPINA1 forma un complejo con la elastasa, que compite con el virus evitando así la fusión, e induciendo un cambio en la conformación de la SERPINA1 que expone dos fragmentos: una región N-terminal y una región C-terminal A1-C36 que es reconocida por receptores de membrana celular, principalmente por CD91. Este proceso lleva a la internalización del complejo hasta el citoplasma, privando a la célula de la elastasa e inhibiendo así la fusión viral; este complejo es degradado por el endosoma, liberando la región A1-C36, que se transloca al núcleo e interfiere con la actividad de NF-κB, evitando así la transcripción de genes virales (64). SERPINA1 también interactúa directamente con el virus, mediante su región C-proximal; esta fracción se une con la proteína gp41 inhibiendo el proceso de fusión con la célula, sin alterar la expresión de los receptores y correceptores principales CD4, CCR5 y CXCR4. De hecho, en estudios in vitro se ha demostrado que la fracción C-proximal de SERPINA1 bloquea la replicación viral de una manera dosis-dependiente (70). En estudios en monocitos infectados con el VIH y tratados con SERPINA1, al igual que en células mononucleares de individuos infectados con el VIH, se ha observado una disminución en la producción del virus (69). Sin embargo, la infección por VIH podría traer como consecuencia la disminución en la producción de esta proteína, tal como se ha reportado en algunos estudios en los que los niveles de SERPINA1 se han encontrado significativamente más bajos en individuos infectados con VIH en comparación con los no infectados, lo que podría limitar su capacidad antiviral (71).

La concentración de SERPINA1 es regulada por las hormonas femeninas: es alta durante la fase menstrual y baja en las mujeres que toman anticonceptivos orales. Esto sugiere que la susceptibilidad de las mujeres a la infección por VIH podría variar dependiendo de la fase hormonal (72).

SLPI

La localización ubicua de SLPI le confiere importancia frente a la infección, principalmente en la mucosa oral, donde la propagación del virus es muy limitada; es uno de los inhibidores más potentes del VIH, en comparación con otras proteínas salivales (79). SLPI hace parte de las cinco proteínas más abundantes en la saliva de pacientes HESN que practican regularmente sexo oral receptivo con parejas seropositivas: se lo encuentra aumentado hasta más de dos veces en comparación con individuos sanos. Además, en estudios in vitro se ha hecho evidente la actividad inhibidora de la infección en diferentes líneas celulares como monocitos primarios y linfocitos (80-82).

CONCLUSIONES

La evidencia acumulada en diversos estudios señala la importancia de los factores solubles como parte de los mecanismos que ejercen el control del VIH y ayudan a mantener la integridad del tejido, controlando el proceso inflamatorio y finalmente disminuyendo el avance de la infección. Sin embargo, es importante resaltar los mecanismos virales desarrollados para evadir la acción de estas proteínas, que junto con el deterioro progresivo de los órganos linfoides causado por la replicación viral llevan al colapso del sistema inmune.

Entender mejor los mecanismos de acción de estas proteínas permitirá identificar etapas cruciales y nuevos blancos para bloquear la replicación viral. De esta manera, se podrían diseñar nuevas alternativas terapéuticas con menos efectos secundarios que las actuales terapias antirretrovirales. Se destaca la acción de SAMHD1, ELAFIN, SERPINA1 y SLPI, los cuales interactúan y bloquean la replicación viral de manera más eficiente. REFERENCIAS

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