Emerging human coronavirus: pathogenesis and protection

Artilce published in January 2017

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2017.01.1

Luis Enjuanes

Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC). Departamento de Biología Molecular y Celular, Campus Universidad Autónoma, Madrid

http://www.user.cnb.csic.es/~webcoron/
This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 

Downlaod article (pdf)

The aim of the Coronavirus group is the study of the molecular basis of the induction and resolution of lung edema caused by coronavirus (CoV) infections, as a strategy to prevent and treat infections by human respiratory CoVs. To this end two goals have been addressed. One is the identification of signaling pathways involved in virus-host interactions and the mechanisms leading to acute lung disease and lung edema that may cause death. The second strategy is the identification of viral genes responsible for virus virulence, as their deletion would lead to the selection of attenuated viruses, which in principle are vaccine candidates.

 

El desarrollo de estos estudios lo hemos dividido en tres objetivos:

El primero propone identificar los factores del hospedador implicados en la inducción de edema pulmonar (Fig. 1A). En estudios previos de nuestro laboratorio se ha mostrado que tanto el CoV del síndrome respiratorio agudo y grave (SARS-CoV) que apareció en China, como el CoV causante del síndrome respiratorio que emergió en Oriente Medio (MERS-CoV) tienen proteínas que incluyen un dominio estructural (PBM) que se une a dominios PDZ presentes en proteínas celulares. La relevancia de esta observación es que los dominios PDZ, formados por unos 80 aminoácidos, están presentes en unas 400 proteínas celulares. En total se conocen 256 motivos PDZ diferentes, y una proteína puede incluir de 1 a 13 de estos dominios, lo que les confiere la capacidad de ser un centro aglutinador de proteínas con motivos PBM, formando complejos activos. Ello hace que el virus pueda cambiar el funcionamiento de la célula en beneficio propio.

Una de las interacciones entre el motivo viral PBM de la proteína de la envuelta (E) del virus con la proteína celular sintenina que hemos identificado, ha tenido especial relevancia. Esta unión da lugar a un aumento de la fosforilación de la proteína p38 MAPK, que está implicada en la activación de la inflamación (Fig. 1B). La selección de inhibidores de la p38 MAPK dio lugar a la protección de la casi totalidad de los ratones
infectados por el SARS-CoV, lo que representa la identificación de un antiviral efectivo para este coronavirus mortal humano. Los CoVs letales para el hombre inducen edema pulmonar que, en condiciones normales, se resuelve por el transporte de iones mediado fundamentalmente por tres proteínas: Na+/K+ ATPasa, el canal epitelial de iones Na+ (ENC) y el regulador de la conductancia a través de membranas de la fibrosis quística (CFTR). Estas tres moléculas contienen dominios PDZ y hemos comprobado que los virus SARS-CoV y MERS-CoV incluyen proteínas que interaccionan con estos transportadores iónicos, lo que da lugar a edema pulmonar.

Por ello estamos centrando nuestros esfuerzos en estudiar el proteoma de interacciones entre los dominios PBM del MERS-CoV y proteínas celulares que incluyen dominios PDZ. La relevancia de estos estudios radica en que hemos mostrado que el motivo PBM viral es un factor de virulencia y que las interacciones PBM-PDZ forman parte de rutas de señalización implicadas en patogénesis viral. La identificación de péptidos o compuestos químicos que interfieran con estas uniones PBM-PDZ facilitará la selección de antivirales.

El segundo objetivo propone estudiar la relevancia de los RNAs no codificantes (ncRNAs) en la inflamación inducida por los coronavirus humanos SARS- y MERS-CoV. Este estudio está dirigido fundamentalmente por Isabel Sola y se describe en la sección "Rincón del profesor de ciencias" de esta web.

El tercer objetivo propone el diseño de vacunas para prevenir infecciones por el MERS-CoV. En particular proponemos obtener vacunas basadas en mutantes atenuados generados mediante la deleción de genes no esenciales utilizando un cDNA infectivo que hemos ensamblado en un cromosoma artificial de bacterias (BAC). Los virus atenuados así obtenidos se están evaluando para determinar su estabilidad genética y el grado de protección que confieren frente al desafío con un virus virulento. Probablemente el candidato más interesante que hemos construido es el que se basa en un virus competente en replicación, pero defectivo en propagación, lo que le convierte en un virus que se auto elimina y por tanto debe de ser bioseguro.
La seguridad de los candidatos a vacuna que diseñamos es una de nuestras prioridades. Por ello, introducimos en las vacunas al menos tres mutaciones que atenúan el virus nativo basándose en distintos principios: reducción de su crecimiento, eliminación de su capacidad para inhibir la respuesta inmune innata, o la de optimización de codones, lo que hace a los virus menos competitivos.

La evaluación de la eficacia en protección de los candidatos a vacuna es posible porque en colaboración con otros laboratorios de EE.UU. hemos obtenido dos modelos animales de infección por SARS-CoV y el MERS-CoV. El primero utiliza ratones convencionales que son infectados por un virus adaptado a los mismos, que hemos construido incluyendo en el cDNA infectivo las mutaciones que le confieren esta propiedad. En el caso del MERS-CoV, hemos construido ratones "knock in" en los que el receptor del virus, la proteína DPP4, se ha "humanizado" mediante la reconstrucción de los tres exones que son relevantes en la interacción con el virus.

La viabilidad y éxito potencial del trabajo de nuestro laboratorio sin duda depende del diseño de un sistema de genética reversa para los CoV, y de los modelos de ratón susceptible al virus, que reproducen fielmente las patologías que estos CoVs producen en humanos.

 

 

 figura luis enjuanes

 

 

TRABAJOS SELECCIONADOS DEL GRUPO

a. Almazan, F., Gonzalez, J. M., Penzes, Z., Izeta, A., Calvo, E., Plana- Duran, J., Enjuanes, L. 2000. Engineering the largest RNA virus genome as an infectious bacterial artificial chromosome. Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 97, 5516-5521.
b. Almazan, F., De Diego, M.L., Sola, I., Zuniga, S., Nieto-Torres, J.L., Marquez-Jurado, S., Andres, G., Enjuanes, L. 2013. Engineering a replication-competent, propagation-defective Middle East respiratory syndrome coronavirus as a vaccine candidate. mBio 4, e00650-00613.
c. Sola, I., Almazán, F., Zúñiga, S., Enjuanes, L., 2015. Continuous and discontinuous RNA synthesis in coronaviruses. Annu. Rev. Virol. 2 (265-288).
d. De Diego, M. L., Nieto-Torres., J. L., Jimenez-Guardeño, J. M., Regla-Nava, J. A., Alvarez, E., Oliveros, J. C., Zhao, J., Fett, C., Perlman, S., and Enjuanes, L. 2011. Severe acute respiratory syndrome coronavirus envelope protein regulates stress response and inflammation. PLoS Pathog. 7, e1002315.
e. Nieto-Torres, J. L., De Diego, M. L., Verdia-Baguena, C., Jimenez-Guardeno, J. M., Regla-Nava, J. A., Fernandez-Delgado, R., Castano-Rodriguez, C., Alcaraz, A., Torres, J., Aguilella, V. M., Enjuanes, L. 2014. Severe acute respiratory syndrome coronavirus envelope protein ion channel activity promotes virus fitness and pathogenesis. PLoS Pathog. 10, e1004077.
f. Jimenez-Guardeno, J. M., Nieto-Torres, J. L., De Diego, M. L., Regla-Nava, J. A., Fernandez-Delgado, R., Castano-Rodriguez, C., Enjuanes, L. 2014. The PDZ-Binding Motif of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus Envelope Protein Is a Determinant of Viral Pathogenesis. PLoS Pathog. 10, e1004320.
g. Regla-Nava, J. A., Nieto-Torres, J. L., Jimenez-Guardeno, J. M., Fernandez-Delgado, R., Fett, C., Castano-Rodriguez, C., Perlman, S., Enjuanes, L., De Diego, M. L. 2015. SARS coronaviruses with mutations in E protein are attenuated and promising vaccine candidates. J. Virol. 89, 3870-3887.
h. Jimenez-Guardeno, J.M., Regla-Nava, J.A., Castano-Rodriguez, C., Fernandez-Delgado, R., Torres, J., Enjuanes, L. 2015. Identification of the mechanisms causing reversion to virulence and in an attenuated SARS-CoV for the design of a genetically stable vaccine. Plos Pathog, 11, e1005215.

 

 

 

Read previous articles

 

Interview

Luis Enjuanes
Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC). Departamento de Biología Molecular y Celular, Campus Universidad Autónoma, Madrid

This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica? ¿Le influyó alguien de forma especial?

R.- Mi vocación científica se inició en la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad de Valencia. Me fascinó la posibilidad de expresar en forma matemática los fenómenos de la naturaleza. En aquellos tiempos sólo estudiábamos materias básicas, física, química, biología,... Lo que más me influyó fue la calidad de algunos profesores y sus clases magistrales.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional? ¿La repetiría en su totalidad?

R.- Estudié químicas, con un alto componente de física, pero pronto evolucioné hacia ciencias biomédicas. Me desplacé a Madrid y después de una formación transitoria en el estudio de los virus tuve la oportunidad de entrar en el laboratorio de Eladio Viñuela, lo que fue decisivo en mi formación científica. El estudio de las bases moleculares de la patogenicidad de los virus me fascinó y al terminar la tesis me trasladé al NIH (Bethesda, EEUU), donde continué trabajando con virus y respuesta inmune. Cuatro años después me incorporé al CSIC donde he seguido mi carrera en el estudio de la patología y protección frente a virus, particularmente con coronavirus. Es muy probable que si tuviese la posibilidad de volver atrás con lo que sé ahora eligiese la misma trayectoria, aunque también me gustaría haber estudiado Medicina.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador? ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- Es imprescindible tener una elevada vocación, lógica en el razonamiento, y capacidad de sacrificio, porque el tiempo que invertimos en investigación recorre fundamentalmente periodos de duro trabajo por aclarar las causas de nuestras observaciones, salpicados con breves periodos de recompensa cuando conseguimos avances significativos en nuestros objetivos.

P.- ¿Cuál consideraría que ha sido el principal avance científico del siglo XX? ¿Cuál es el avance científico que más le ha impresionado? ¿Cuál ha sido su mayor sorpresa en el área de investigación en que trabaja?

R.- La posibilidad de modificar los seres vivos, incluyendo los más elementales como los virus (genética reversa) y otros más complejos como los mamíferos me parece fascinante y con un potencial tan alto que es casi imprevisible. Recientemente el desarrollo de técnicas basadas en CRISPR/Cas que facilitan la alteración precisa de genes en seres vivos de todos los reinos va a permitir transformar muchos de ellos mejorando su resistencia a enfermedades.
La capacidad evolutiva de los virus me parece de alto interés, así como su potencial en terapia génica para acceder a sitios remotos de nuestro organismo y corregir defectos.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia? ¿Cómo ve el futuro de esta línea científica?

R.- Estudiamos las bases moleculares de la virulencia de los virus, identificando los genes de los mismos que son responsables de su virulencia para eliminarlos, atenuarlos y obtener candidatos a vacunas. Así mismo, estudiamos la interacción de los virus con el hospedador, porque los virus necesitan del mismo para replicarse o causar patología. La identificación de la transducción de señales celulares necesarias para estas actividades nos permite identificar drogas supresoras de las mismas y por tanto antivirales.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España? ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R.- Creo que es muy importante que los estudios universitarios se realicen conjuntamente con el trabajo en empresas tecnológicas, hospitales, y otras instituciones, de forma que desde muy pronto en la universidad se pueda trabajar en problemas que son de interés para el desarrollo del conocimiento y para la sociedad. Considero muy útil que la Universidad se integre parcialmente con otras instituciones que cumplen una misión necesaria o productiva.

 

Biography

Luis Enjuanes
Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC). Departamento de Biología Molecular y Celular, Campus Universidad Autónoma, Madrid.
This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Luis Enjuanes lleva más de 40 años trabajando en virología, 28 de los cuales se ha dedicado al estudio de los coronavirus. Actualmente su trabajo se centra en el estudio del mecanismo de replicación, la transcripción, la virulencia y la interacción virus-huésped en los coronavirus. Ha publicado cerca de 200 artículos y 58 capítulos de libro. En la actualidad, es Profesor de Investigación y Director del Laboratorio de Coronavirus en el Centro Nacional de Biotecnología del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CNB-CSIC). Obtuvo una beca NIH Fogarty, en Bethesda, MD, y fue también investigador visitante en el FCRC, NIH, MD. Es profesor de Virología en la Universidad de Madrid y el Instituto Pasteur de París. Ha sido nombrado "Distinguido Virólogo Senior" por la Sociedad Española de Virología, y es miembro de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. También es miembro de la Academia Americana de Microbiología. Y Editor Jefe de Virus Research.

Protector Members