Estudos que mapeiam o valor adaptativo das mutações virais sugerem como a pandemia de COVID-19 pode progredir a seguir.
No outono de 2019, o mundo iniciou um dos maiores experimentos de biologia evolutiva da história moderna. Em algum lugar perto da cidade de Wuhan, no leste da China, um coronavírus adquiriu a capacidade de viver dentro de humanos, em vez de morcegos e outros mamíferos que foram seus hospedeiros. Ele se adaptou ainda mais para se tornar eficiente em se espalhar de uma pessoa para outra, mesmo antes que as defesas do corpo pudessem se levantar contra ele. Mas o jogo de xadrez evolutivo não parou por aí, e temos uma sopa de letrinhas grega de variantes do SARS-CoV-2 para provar isso.
Pesquisadores de todo o mundo estão tentando entender a evolução do vírus com mais detalhes e, particularmente, como as mutações no SARS-CoV-2 alteram sua capacidade de se espalhar entre humanos. “Um vírus bem adaptado hoje pode ser mal adaptado amanhã, pois o hospedeiro desenvolve resistência e, em seguida, precisa descobrir uma nova maneira de infectar esse hospedeiro. Isso impulsiona a inovação que impulsiona a novidade”, disse Justin Meyer, biólogo evolucionário da Universidade da Califórnia, em San Diego.
Por mais sombrio que seja o custo humano da pandemia em constante mudança, a abundância de dados científicos ao observar o vírus evoluir à medida que se move ao redor do mundo tem sido instrutiva. “A COVID nos deu alguns dos mais belos exemplos de evolução em ação”, disse Luca Ferretti, geneticista estatístico do Big Data Institute da Universidade de Oxford.
“Um vírus bem adaptado hoje pode ser mal adaptado amanhã, pois o hospedeiro desenvolve resistência.”
Justin Meyer, Universidade da Califórnia, San Diego
Prever exatamente o que o vírus pode fazer a seguir pode nunca ser possível, mas os virologistas de todo o mundo estão obtendo informações sobre quais componentes do SARS-CoV-2 são mais propensos a evoluir e quais elementos-chave da proteína não podem mudar sem prejudicar sua sobrevivência. Essa informação pode apontar o caminho para vacinas melhores e mais duradouras. Outros estudos destacaram maneiras pelas quais o vírus pode desenvolver resistência às terapias de anticorpos monoclonais usadas para tratar alguns pacientes gravemente doentes com COVID-19. O trabalho também identificou combinações específicas de mutações que, se disseminadas na população viral, poderiam inaugurar uma nova fase da pandemia impulsionada por variantes que se destacam por escapar de nossas defesas imunológicas, além de se espalharem rapidamente.
Os cientistas conseguiram fazer essas descobertas revisitando um conceito proposto há quase um século ? paisagens de fitness (ou adaptativas) ? com tecnologias modernas. Eles podem usar paisagens de aptidão para quantificar a relação entre as mudanças no genoma viral e sua capacidade de replicar e infectar um novo hospedeiro. Os mapas topográficos que representam essa relação podem ajudar a reconstruir a história do vírus e também podem, pelo menos, prever seu futuro.
Para Tobias Warnecke, biólogo evolucionário molecular do Imperial College London, as paisagens fitness são uma maneira inestimável de conectar genótipo a fenótipo. Ao explorar seu potencial quantitativo, diz ele, os cientistas podem fazer perguntas sobre como duas mutações afetam uma característica em conjunto e como elas podem ser influenciadas pela presença de uma terceira mutação. “Dessa forma”, disse ele, “você pode passar por muitas combinações diferentes de genótipos e ver como isso afeta o que você estiver interessado”.
O valor das paisagens de fitness não se limita a comparações entre pequenos números de mudanças em genomas ou proteínas. Técnicas experimentais modernas permitem uma estratégia chamada varredura mutacional profunda, na qual os pesquisadores realizam um experimento em pequena escala na seleção natural e comparam o valor de aptidão de dezenas de milhares de variantes mutantes de uma só vez. O processo pode revelar interações imprevistas entre mutações que podem ajudar ou prejudicar um vírus ? e pode identificar caminhos para a evolução futura de um vírus que pode representar novas ameaças aos humanos.
Um mapa dinâmico para sobrevivência
Em A Origem das Espécies, Charles Darwin escreveu que a seleção natural era o resultado da “preservação de diferenças e variações individuais favoráveis, e a destruição daquelas que são prejudiciais”. Naquela época, antes da compreensão científica da genética e das mutações, os biólogos podiam apenas tentar imaginar como pequenas mudanças hereditárias em um organismo poderiam afetar sua reprodução. A ideia se solidificou totalmente apenas com o trabalho do biólogo americano Sewall Wright. Em seu artigo seminal de 1932 no Proceedings of the Sixth International Congress of Genetics, ele usou diagramas desenhados à mão para ilustrar como um organismo pode se mover pelo “campo quase infinito de variações possíveis através do qual a espécie pode trabalhar sob a seleção natural. ”
Wright observou que uma maneira de visualizar o grande número de variantes possíveis de moléculas lineares como DNA ou peptídeos era tratar cada possibilidade como um ponto único no espaço. A evolução da molécula então equivale a um caminho entre os pontos para as variantes inicial e final que atinge todos os pontos para variantes intermediárias ao longo do caminho.
Sewall Wright, “Os Papéis da Mutação, Endogamia, Cruzamento e Seleção na Evolução”, Anais do Sexto Congresso Internacional de Genética 1932, 356-366; fonte: Biblioteca da Universidade de Chicago e permissões concedidas pela Genetics Society of America
Para ajudar a entender os gráficos complexos dessas variantes e os caminhos evolutivos entre elas, Wright mostrou que elas podem ser representadas como “paisagens adaptativas” mais intuitivas de apenas duas ou três dimensões. Os eixos horizontais traçam a variabilidade no DNA (genótipos) ou características físicas (fenótipos); quanto mais semelhantes são as duas variantes, mais próximas elas ficam no avião. O eixo vertical mede o impacto da variação na aptidão evolutiva. Variantes que melhoram as chances de sobrevivência de um organismo, seja aumentando sua prole viável ou melhorando a função de suas proteínas, empoleiram-se nos picos, enquanto aquelas que a diminuem definham nos vales.
O resultado é uma paisagem com uma topografia única, explica Adam Lauring, biólogo evolucionário da Faculdade de Medicina da Universidade de Michigan. Se as variantes mapeadas não diferem muito em seu impacto na aptidão, então a paisagem parece bastante plana, muito parecida com Nebraska. Variantes com grandes efeitos no condicionamento físico criam uma paisagem que mais se assemelha aos imponentes hoodoos de Bryce Canyon, em Utah. A seleção natural favorece as variantes nos picos: o genótipo ou fenótipo médio de uma espécie deve evoluir movendo-se de um pico para o próximo, idealmente ao longo de uma crista entre eles, e não através dos vales. (Subpopulações isoladas com diferentes genótipos também podem ajudar uma espécie a encontrar seu caminho em uma lacuna.)
“Se você se mover alguns metros, vai cair, e levantar de novo está ficando muito difícil”, disse Lauring. “Há menos caminhos para se locomover.”
“A teoria é muito simples. Você só precisa conhecer seu genótipo, medir a aptidão e basicamente prever qualquer coisa que possa acontecer”, disse Claudia Bank, que pesquisa dinâmica evolutiva na Universidade de Berna, na Suíça. Mas colocar a teoria em prática é outra questão.
Uma complicação é que um cenário de condicionamento físico, seja para SARS-CoV-2 ou humano, não é estático. Uma mutação que permite a um organismo digerir um novo alimento, mas o faz crescer mais lentamente, pode ser um salva-vidas ou uma desvantagem letal. O impacto de uma variante na aptidão evolutiva depende do ambiente em que um organismo vive. Quando o ambiente muda, o mesmo acontece com o cenário fitness. “Mutações diferentes têm impactos diferentes, e isso depende do cenário de condicionamento físico”, disse Lauring.
Randy Olson & Bjørn Østman
Criar paisagens fitness também é um desafio matemático. Mesmo uma pequena proteína com apenas 100 aminoácidos de comprimento terá 20.100 variantes possíveis, mais do que o número de átomos no universo. É difícil imaginar, muito menos calcular, as topografias complexas de paisagens de aptidão para proteínas reais e a probabilidade de vários caminhos através delas. Consequentemente, durante décadas, as paisagens de fitness foram auxílios conceituais em vez de ferramentas para medições concretas. Apenas recentemente, com poder computacional avançado e tecnologia de biologia molecular aprimorada, os cientistas conseguiram começar a criar paisagens quantitativas para proteínas individuais e organismos simples, como bactérias e vírus.
Bactérias e vírus são assuntos quase ideais para paisagens de fitness. Crescendo aos milhões ou bilhões em um tubo de ensaio, cada célula bacteriana ou partícula viral pode abrigar uma mutação do enorme conjunto de variantes que descrevem o cenário de fitness. Seus tempos de geração curtos, na escala de horas ou dias, também permitem que os pesquisadores identifiquem novas mutações com muito mais rapidez. A maioria dos vírus que usam o RNA como seu material genético, incluindo o HIV e o vírus da hepatite C (HCV), também são altamente propensos a mutações porque a RNA polimerase que replica seu genoma não revisa as cópias com a mesma eficácia que as DNA polimerases.
Uma das primeiras coisas que os cientistas começaram a descobrir é que, apesar da complexidade das paisagens, os organismos são frequentemente limitados a apenas um punhado de máximos de aptidão e um número limitado de caminhos entre eles. Um artigo da Science de 2006 examinou de perto uma proteína chamada beta-lactamase, que inativa antibióticos como a penicilina. Os efeitos conjuntos de cinco mutações de um único nucleotídeo na beta-lactamase podem aumentar sua resistência a antibióticos por um fator de 100.000. Com seus colegas, Daniel Weinreich, um bolsista de pós-doutorado em biologia evolutiva na Universidade de Harvard na época que agora dirige um laboratório na Universidade de Brown, observou que a evolução do gene poderia seguir 120 caminhos para acumular todas as cinco mutações.
No entanto, quando os cientistas criaram e testaram as variantes intermediárias no laboratório, descobriram que 102 dos caminhos não eram possíveis sob a seleção natural porque produziam proteínas defeituosas ou incompletas. As possibilidades se estreitaram ainda mais quando descobriram que muitas das combinações restantes não conseguiram melhorar a resistência aos antibióticos. “Isso implica”, eles escreveram, “que a fita de proteína da vida pode ser amplamente reproduzível e até previsível”.
Escaneamento Mutacional Profundo
Mas prever a trajetória evolutiva futura até mesmo do menor vírus ou proteína requer um conhecimento detalhado de seu cenário de aptidão, que é difícil de obter. Historicamente, os cientistas tinham que criar mutações em um nucleotídeo ou aminoácido de cada vez, depois purificar a proteína mutante e avaliar sua função. Muitas vezes era impraticável examinar mais do que algumas das possíveis mutações.
O desenvolvimento de tecnologias para varredura mutacional profunda mudou tudo isso. Essa técnica permite que os cientistas gerem dezenas de milhares de variantes de uma só vez e, em seguida, façam com que todas as variantes compitam umas com as outras para determinar seu valor relativo de aptidão.
Se você é um vírus e pode tolerar mudanças, é provável que seja um vírus com capacidade de adaptação muito melhor.
Os pesquisadores começam criando uma biblioteca de genes variantes que podem ser clonados em células cultivadas. Os genes codificam uma proteína cuja atividade está ligada a alguma função bioquímica que pode ser selecionada em laboratório, de modo que as células que fazem as versões “mais aptas”, mais ativas dessas proteínas, se tornarão mais abundantes, enquanto as células que fazem as versões inativas desaparecem. Com o sequenciamento de DNA de alto rendimento, os pesquisadores podem calcular os números de cada variante para uma medição quantitativa de quão bem ela se saiu ao longo de várias gerações.
“É uma abordagem realmente poderosa para capturar o impacto das mutações”, disse Valerie Soo, pesquisadora do laboratório de Warnecke em Londres.
Com vírus de RNA propensos a mutações, os cientistas nem precisam gerar variantes no laboratório ? a maquinaria de replicação genômica propensa a erros introduz mutações e faz o trabalho por elas. Cada uma das milhões de cópias do vírus é ligeiramente diferente de seus vizinhos, criando o que os virologistas chamam de enxame mutante. Dentro desse enxame está a matéria-prima da evolução por seleção natural.
“Os micróbios se reproduzem tão rapidamente que a evolução acontece diariamente. Você pode realmente monitorar a evolução em tempo real”, disse Samuel Alizon, ecologista evolucionário do laboratório MIVEGEC em Montpellier, França.
Os pesquisadores descobriram que muito poucas das mutações nesses enxames são transmitidas para novos hospedeiros, principalmente quando apenas uma pequena quantidade de vírus é necessária para causar uma infecção. Parte disso é puro acaso, uma questão de qual variante está no lugar certo na hora certa. Mas, ao esboçar paisagens de fitness, os pesquisadores podem tentar descobrir por que algumas variantes são transmitidas com muito mais frequência do que outras, diz Raul Andino-Pavlovsky, virologista da Universidade da Califórnia, em San Francisco.
“Um vírus não precisa apenas ser capaz de gerar diversidade, mas também tolerar essa diversidade”, disse ele. “Se você é um vírus e pode tolerar mudanças, é provável que seja um vírus com capacidade de adaptação muito melhor.”
As paisagens de fitness são a maneira perfeita de descrever, tanto conceitualmente quanto quantitativamente, como os vírus de infecções crônicas ou persistentes evitam repetidos esforços para neutralizá-los pelo sistema imunológico de seu hospedeiro, de acordo com o biólogo evolucionário Tyler Starr. É por isso que ele se juntou ao laboratório de Jesse Bloom no Fred Hutchinson Cancer Research Center para estudar como o HIV co-evolui com a imunidade de anticorpos dentro de um paciente ao longo de uma infecção. Seu objetivo era entender como essa corrida armamentista evolutiva entre um vírus e o sistema imunológico produz anticorpos com propriedades protetoras, o que poderia ajudar os cientistas a desenvolver uma vacina contra o HIV para se concentrar nas partes mais imutáveis do vírus.
Mas assim que Starr começou seu trabalho com o HIV, outro vírus roubou sua ? e a do mundo ? atenção.
Mais Mutável do que o Esperado
À medida que o SARS-CoV-2 começou sua disseminação global, Starr e Bloom perceberam que os cenários de condicionamento físico forneciam uma maneira útil de começar a estudar o novo patógeno. Isso lhes deu uma maneira de descobrir quais fatores eram importantes nas proteínas virais e quanta mudança o vírus poderia tolerar.
Inicialmente, os cientistas que sequenciaram o SARS-CoV-2 não notaram muita variação genética. Embora os coronavírus usem uma RNA polimerase propensa a erros para copiar seu material genético, o SARS-CoV-2 possui uma segunda proteína que atua como revisor. Portanto, os pesquisadores não esperavam que o vírus adquirisse tantas mutações quanto, digamos, influenza ou HIV.
Bloom e Starr sabiam que a proteína spike seria a parte do coronavírus sob a pressão evolutiva mais intensa porque é o que o sistema imunológico reconhece mais fortemente e o que o vírus usa para invadir as células do corpo. Com 1.273 aminoácidos, no entanto, a proteína spike é muito grande para avaliação rápida por um cenário de condicionamento físico. Starr, portanto, decidiu se concentrar em uma subseção da proteína spike conhecida como domínio de ligação ao receptor, que é apenas algumas centenas de aminoácidos ? um problema muito mais tratável.
Starr usou a varredura mutacional profunda para criar 4.000 mutações diferentes do domínio de ligação ao receptor. Ele avaliou sua capacidade de se ligar à proteína ACE2 humana (a “cadeia” molecular que ela escolhe para entrar nas células) e de ser reconhecida pelo sistema imunológico. Se o SARS-CoV-2 não pudesse tolerar muita variação em seu domínio de ligação ao receptor, Starr esperava ver que o reconhecimento imunológico ou as funções de ligação ao ACE2 seriam severamente comprometidos por mutações.
Cortesia de Tyler Starr
Mas não foi nada disso que aconteceu. “O domínio de ligação ao receptor tinha muitas mutações diferentes que realmente melhoraram a afinidade de ligação”, disse Starr. “Isso parecia um domínio realmente tolerante que tinha muita capacidade de evoluir. No entanto, a mentalidade na época era que os coronavírus não evoluem antigenicamente. Eles provavelmente seriam estáveis.”
Embora o domínio de ligação ao receptor tenha tolerado mais variação do que o esperado, nem todas as partes da proteína spike o fizeram. Essas partes da proteína spike podem, portanto, ser bons alvos para novas vacinas e anticorpos monoclonais, diz Starr, uma vez que são menos propensos a sofrer mutações ao longo do tempo.
Quando eles publicaram esses resultados pela primeira vez no servidor de pré-impressão biorxiv.org em junho de 2020, foi um grande alerta, diz Starr ? uma das primeiras indicações de que o SARS-CoV-2 era mais mutável do que as pessoas pensavam. Agora, Starr e Bloom estão repetindo seus experimentos de varredura mutacional profunda nas variantes alfa, beta, gama, delta e omicron para obter informações semelhantes sobre seus domínios de ligação ao receptor.
Starr, Bloom e colegas também criaram um mapa de todas as possíveis mutações no domínio de ligação ao receptor que não interferiram na ligação do ACE2. Seu trabalho, publicado na Science em janeiro de 2021, identificou possíveis mutações nesse domínio que poderiam evitar a neutralização por terapias de anticorpos monoclonais. Seu trabalho também identificou várias mutações que surgiram em um indivíduo imunocomprometido que foi infectado com SARS-CoV-2 por 150 dias. No momento em que essa pessoa recebeu tratamento com anticorpos monoclonais no dia 145, ela já havia desenvolvido resistência aos produtos disponíveis no mercado. Para Starr, isso mostrou que esses anticorpos monoclonais terapêuticos podem se tornar menos eficazes ao longo do tempo, seja em um único paciente ou mais geralmente à medida que o vírus sofre mutações.
Além disso, como Starr, Bloom e seus colegas descreveram no verão passado na Nature Communications, várias mutações generalizadas podem ajudar o SARS-CoV-2 a evitar alguns dos anticorpos que o sistema imunológico normalmente direciona contra as partes mais direcionadas do domínio de ligação ao receptor. Até agora, nenhuma linhagem viral evoluiu para ter todas essas três mutações. “No entanto, sugerimos que o aparecimento de tal variante seria um desenvolvimento preocupante e deve ser monitorado de perto”, escreveram.
O mundo em que o SARS-CoV-2 surgiu pela primeira vez no final de 2019 era diferente do mundo de hoje. A capacidade do vírus de produzir muitas cópias de si mesmo e de se espalhar entre indivíduos foi certamente a chave para seu sucesso no início da pandemia. À medida que o número de pessoas imunizadas por vacinação e infecções naturalmente adquiridas aumenta, no entanto, o vírus sofrerá mais pressão para evitar as respostas imunes. Lauring diz que muitas mutações vêm com compensações, e o SARS-CoV-2 não é exceção. Uma variante de escape imunológico com transmissão reduzida do vírus pode não ter sido favorecida no início de 2020, mas pode ser agora.
“Somos o ambiente para o vírus”, disse Lauring. “Se mudarmos, a paisagem muda.”
Publicado em 13/01/2022 12h14
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