A fecha de diciembre de 2021, se han administrado más de 8000 millones de dosis de vacunas contra la enfermedad por coronavirus 2019 (COVID-19), incluidas cerca de 217 millones de dosis de refuerzo. El objetivo principal de estas vacunas ha sido la denominada proteína de la espícula o proteína «S», una proteína viral esencial que desempeña un papel clave al permitir que el virus invada las células huésped.
Aunque las vacunas son fundamentales, el desarrollo de tratamientos contra la COVID-19 ha revelado que las proteínas intrínsecamente desordenadas pueden desempeñar un papel patológico crítico. Históricamente, los biólogos creían que la secuencia de aminoácidos de cada proteína determinaba su estructura tridimensional, la cual, a su vez, determinaba su función. Sin embargo, existe un gran grupo de proteínas y regiones que carecen de una estructura 3D fija u ordenada, pero que aun así exhiben actividades biológicas esenciales: las denominadas proteínas y regiones intrínsecamente desordenadas (Figura 1).
Este desorden proteico está codificado en las secuencias de aminoácidos y es abundante en todos los organismos vivos y virus. Una comprensión más profunda de estas regiones notables dentro de las características de las proteínas del SARS-CoV-2 podría permitir un progreso más rápido en el desarrollo terapéutico contra la COVID-19.
Ejemplos de proteínas intrínsecamente desordenadas
La variabilidad natural que se encuentra en las «proteínas intrínsecamente desordenadas» (IDP) o en las «regiones intrínsecamente desordenadas» (IDPR) dentro de las proteínas puede observarse en los tres reinos de la vida. Están vinculadas a procesos importantes como la catálisis enzimática, la regulación alostérica, la señalización celular, la transcripción, entre otros.
Sin embargo, también desempeñan un papel en enfermedades, como la neurodegeneración, la diabetes, las enfermedades cardiovasculares, la amiloidosis, las enfermedades genéticas y el cáncer. Además, las proteínas virales a menudo contienen dichas regiones, las cuales se han correlacionado con la virulencia porque dotan a las proteínas virales de la capacidad de unirse de forma fácil y promiscua a las proteínas del huésped.
El interés por las IDP/IDPR en la ciencia de las proteínas ha aumentado rápidamente desde el año 2000, como lo demuestra una búsqueda en la CAS Content CollectionTM (Figura 2), y sus funciones en el diseño de fármacos, incluida la COVID-19, están empezando a explorarse.
Proteínas intrínsecamente desordenadas en el SARS-CoV-2
El SARS-CoV-2 forma un virión que incluye su ARN genómico empaquetado en una partícula que comprende: la proteína S, importante para la entrada en las células huésped; la proteína de membrana (M), que facilita el ensamblaje viral; la proteína pequeña de la envoltura (E) del canal iónico; y la proteína de la nucleocápside (N), que se ensambla con el ARN viral para formar la nucleocápside (Figura 3).
Las IDP/IDPR no son comunes en el proteoma del SARS-CoV-2. De hecho, el proteoma del SARS-CoV-2 exhibe niveles significativos de orden estructural —a excepción de la proteína de la nucleocápside (N), las proteínas del SARS-CoV-2 son proteínas altamente ordenadas que contienen pocas regiones proteicas intrínsecamente desordenadas. Cabe destacar, sin embargo, que las regiones desordenadas existentes contribuyen significativamente al funcionamiento y la virulencia del virus y, por tanto, son dianas prometedoras para el descubrimiento de fármacos antivirales; este enfoque ya ha demostrado ser valioso para identificar nuevos candidatos a fármacos.
La proteína de la nucleocápside (N)
La proteína N, que se une al ARN, estabiliza el ARN genómico dentro de la partícula viral y regula la transcripción, replicación y empaquetamiento del genoma viral. La proteína N es altamente desordenada: su porcentaje promedio de desorden intrínseco predicho es de alrededor del 65%. Estas regiones desordenadas parecen ser importantes para mantener la nucleocápside y, por tanto, podrían servir como dianas para el diseño de fármacos. Las regiones desordenadas dentro de la proteína N también parecen ser importantes para permitir que la proteína se agregue mediante un proceso denominado «separación de fases líquido-líquido», potencialmente como una forma de interrumpir la formación natural de gránulos de estrés, importantes en la inmunidad de la célula huésped. Por lo tanto, la interrupción del proceso de separación de fases líquido-líquido de la proteína N es prometedora para la intervención antiviral y ofrece nuevas dianas y estrategias para el desarrollo de fármacos para combatir la COVID-19.
La proteína de la espícula (S)
La proteína S adorna la superficie viral como una corona. Es fundamental para la entrada del virus en el huésped (Figura 4) y, como tal, ha sido una diana terapéutica comúnmente utilizada en el desarrollo de vacunas contra la COVID-19. La unión al receptor y la fusión de membranas, los pasos iniciales de la infección, están relacionados con regiones de sustancial desorden intrínseco.
El análisis de la proteína S indica que tanto los sitios de escisión de la subunidad S asociados con la maduración de S, como el péptido de fusión S, están asociados con IDPR. Teniendo en cuenta que la digestión proteolítica es considerablemente más rápida en regiones proteicas no estructuradas en comparación con las estructuradas, esta especificidad estructural de la proteína S del SARS-CoV-2 podría ser de gran importancia funcional.
Durante la infección por el virus SARS-CoV-2, se pueden detectar IDPR en la interfaz de la proteína de la espícula y el receptor ACE2, el receptor presente en los tejidos humanos al que se une el virus. Los residuos clave de la proteína de la espícula tienen una fuerte afinidad de unión a ACE2, una razón probable de la alta transmisibilidad del SARS-CoV-2.
Por lo tanto, la unión al receptor y la fusión de membranas, los pasos iniciales e importantes en la infección por coronavirus, están relacionados con regiones de sustancial desorden intrínseco en la proteína S. Son dianas principales para inhibir la infección por SARS-CoV-2.
La proteína de membrana (M)
La proteína M es una proteína transmembrana importante que se encuentra en gran número en el virión. El SARS-CoV-2 tiene una de las cubiertas exteriores protectoras más resistentes entre los coronavirus; esto está potencialmente relacionado con el bajo desorden intrínseco de la proteína M (6%) y puede ser responsable de la alta resiliencia y transmisibilidad del virus. De hecho, se ha demostrado una correlación entre la virulencia de varios virus y el porcentaje de desorden intrínseco de sus proteínas M, asociándose las proteínas M menos desordenadas con virus más contagiosos.
Perspectivas futuras: las fronteras del diseño de fármacos
La aparición de nuevos virus y las epidemias asociadas en todo el mundo son actualmente una preocupación importante. Por tanto, el conocimiento de las estructuras y funciones de las proteínas virales es de gran importancia para la identificación de nuevas dianas terapéuticas para la prevención y el tratamiento de enfermedades.
En nuestra publicación revisada por pares en ACS Infectious Diseases, resumimos la información disponible sobre el proteoma del SARS-CoV-2 con respecto a la presencia de desorden intrínseco en sus proteínas. De hecho, se ha reconocido que el proteoma del SARS-CoV-2 exhibe niveles sustanciales de orden estructural: solo la proteína N es altamente desordenada. Aunque otras proteínas del SARS-CoV-2 se caracterizan por grados menores de desorden, sus IDPR existentes contribuyen significativamente al funcionamiento y la virulencia del virus y son dianas prometedoras para el diseño de fármacos antivirales.
Las IDP están muy extendidas y tienen numerosas funciones biológicas cruciales que complementan la funcionalidad de las proteínas ordenadas. Sin embargo, cuando se produce un mal funcionamiento (por ejemplo, expresión, procesamiento o regulación incorrectos), las IDP/IDPR tienden a participar en interacciones indeseables y a verse involucradas en el desarrollo de diversos estados patológicos. De hecho, muchas proteínas asociadas con la neurodegeneración, la diabetes, las enfermedades cardiovasculares, la amiloidosis y las enfermedades genéticas, así como la mayoría de las proteínas humanas relacionadas con el cáncer, son IDP o contienen largas IDPR.
Aunque las técnicas de biología estructural pueden utilizarse en el desarrollo de fármacos, la práctica del diseño racional de fármacos ha infrarepresentado tradicionalmente la presencia de desorden intrínseco en las proteínas diana. Comprender la estructura de estas regiones en el SARS-CoV-2 y otros proteomas patógenos sería claramente de gran beneficio para el desarrollo de fármacos contra la COVID-19 y más allá, continuando con el avance de los límites del diseño de fármacos.
