ARTÍCULO ORIGINAL

 

Predicción de epítopos T y B de la proteína NS4b del virus dengue tipo 3

 

T and B epitope prediction of protein NS4b of dengue virus type 3

Nevis Amin*, Fátima Reyes, Romel Calero, Frank Camacho, Armando Acosta

Instituto Finlay, Centro de Investigación Producción de Vacunas. Ave 27, No 19805, La Lisa, AP 16017 cod 11600. La Habana, Cuba.
email: namin@finlay.edu.cu
* Dra. en Medicina, Especialista en Segundo Grado de Mircobiología, Máster en Virología e Investigador Agregado.


RESUMEN

El dengue se considera una enfermedad emergente y la principal de las afecciones virales transmitidas por artrópodos en términos de morbilidad y mortalidad. A pesar de los múltiples esfuerzos realizados por la comunidad científica internacional, aún no existe una vacuna licenciada contra esta entidad. La NS4b, una de las más pequeñas proteínas del virus del dengue induce respuesta de anticuerpo y de inmunomediadores en pacientes infectados por este virus. Sin embargo, poco es conocido sobre su estructura antigénica. En el campo de diseño de vacunas es muy útil la aplicación de las técnicas in silico, tanto para el descubrimiento y desarrollo de vacunas nuevas como para las existentes. Numerosos epítopos predichos se han verificado experimentalmente, lo que demostró la utilidad de tales predicciones. En este trabajo fueron aplicados los programas de predicción: BcePred, ABCpred, HLApred, ProPred y Proped1, para la búsqueda de nuevos epítopos de la proteína NS4b del virus dengue tipo 3. Se identificaron 27 epítopos de células B y 126 de la T. La secuencia de aminoácidos del mimotopo de la proteína NS4b (FEKQLGQV) fue predicha como epítopo B por el servidor Bcepred, con la puntuación más alta. El análisis teórico de la potencialidad del epítopo T-FEKQLGQV tuvo una alta cobertura para ser presentado por una muestra de la población cubana. Del total de epítopos T predichos, 13 resultaron promiscuos, que pudieran ser potenciales candidatos vacunales. La importancia de estos resultados radica en sentar las bases moleculares para el desarrollo de una vacuna profiláctica de subunidades.

Palabras clave: dengue, NS4b, epítopo, vacunología inversa, HLA.


ABSTRACT

Dengue is considered an emerging infectious disease and the most important arthropod-borne viral disease in terms of morbidity and mortality. Despite the efforts made by the international scientific community, there is still no licensed vaccine against dengue. NS4b, the smallest hydrophobic proteins of dengue virus, has been reported to elicit antibodies and chemokines and cytokines in dengue-infected patients, but not much is known regarding the antigenic structure of this protein. In the field of vaccine design, the application of in silico techniques is very useful, for both the discovery and development of new and existing vaccines. Many predicted epitopes have been experimentally verified, demonstrating the usefulness of such predictions. In the present work, prediction programs: BcePred, ABCpred, HLApred, ProPred y Proped 1 were used to find novel epitopes from NS4b dengue virus type 3. 27 B-cell epitopes and 126 T-cell epitopes were identified on NS4b protein. The amino acidic sequence (FEKQLGQV) of NS4b protein was predicted by Bcepred server with a high score. Theoretical analysis of the potential of the T epitope -FEKQLGQV- showed a high coverage to be presented so that a sample of the Cuban population was used. Thirteen epitopes T out of those predicted resulted promiscuous, which can be potential vaccinal candidates. The importance of these epitopes is that they are identified main targets for the development of a subunit vaccine for prevention of dengue disease.

Key words: dengue, NS4b, epitope, reverse vaccinology, HLA.


 

INTRODUCCIÓN

El dengue es considerada una de las enfermedades virales de mayor importancia dentro de las enfermedades emergentes y reemergentes transmitida por mosquitos. Alrededor de 100 millones de personas son infectadas anualmente, de las cuales alrededor de 250.000 resultan en casos graves de la enfermedad y 10.000 mueren. Los virus del dengue (DEN) pertenecen al género Flavivirus de la familia Flaviviridae. El complejo que forman estos virus está constituido por cuatro serotipos: DEN-1, DEN-2, DEN-3 y DEN-4, relacionados antigénicamente.

El genoma viral consiste en una simple cadena de ácido ribonucleico positiva (ARN+) que codifica para tres proteínas estructurales: C, PrM/M, E y siete proteínas no estructurales (NS, acrónimo del inglés Non Structural): NS1, NS2A, NS2B, NS3, NS4A, NS4B, NS5 (1).

A pesar de los múltiples esfuerzos realizados por la comunidad científica internacional, aún no existe una vacuna licenciada contra el dengue. Un candidato vacunal debe inducir inmunidad protectora de larga duración contra los cuatro serotipos del virus de forma simultánea (2). Los anticuerpos desarrollados durante la infección primaria pueden reconocer de manera heterotípica al segundo serotipo infectante y formar complejos inmunes que faciliten la entrada del virus a las células susceptibles a través de los receptores celulares para Fc, presentes en las células B, en las células dendríticas y en los monocitos-macrófagos, dianas de la infección por el virus DEN (1).

Una posible estrategia para reducir el riesgo asociado con una vacuna de dengue es el diseño y desarrollo de una vacuna compuesta por epítopos inmunogénicos de cada serotipo viral.

Los epítopos son regiones inmunológicamente activas de un inmunógeno y son reconocidos por el correspondiente receptor presente en las células B o T. Los epítopos de células B, cuando la secuencia es contigua se denominan epítopes lineales y cuando se ubican en segmentos distantes y se ponen en proximidad espacial por el plegamiento de la proteína son llamados epítopes conformacionales.

Los epítopes T son lineales y requieren de un procesamiento molecular que los haga accesibles (3).

Un paso en la obtención de un candidato vacunal es la identificación de epítopos que sean reconocidos por el sistema inmune del hospedero y son capaces de inducir una respuesta inmune protectora.

La NS4b es una de las proteínas hidrofóbicas del virus del dengue más pequeñas; comparte desde un 78 a un 85% de identidad en su secuencia aminoacídica (a.a) entre los cuatro serotipos de los virus del complejo dengue y un 35% de identidad con los otros miembros de la familia Flaviviridae. Se sugiere que sea un cofactor del complejo enzimático de replicación viral y se ha demostrado que es la principal responsable de la inducción de inmunomediadores, tales como IL6, IL-8, IP-10, TNF alfa e IFN-ganma (4).

Estudios más recientes la señalan como una diana para inhibir la infección por el virus del dengue (5). A pesar de varios estudios para caracterizarla, la NS4b es una de las proteínas no estructurales del virus dengue menos exploradas.

Los métodos computacionales de predicción de epítopos constituyen una herramienta muy útil en el diseño de vacunas que permite reducir el trabajo experimental. Los programas para la predicción de epítopos B se basan en propiedades físico-químicas de las proteínas y en el uso de redes neuronales. Existen diversos programas para la predicción de epítopos B como ABCpred, BcePred y BEPITOPE (6).

Los epítopos de células T requieren ser procesados y presentados en conjunto con las moléculas de los antígenos de leucocitos humanos (HLA, acrónimo del inglés, Human Leucocyte Antigen).

Por tal razón los algoritmos diseñados para estudiar dichos epítopos deberán siempre incluir una célula presentadora de antígenos o una célula diana que exprese dicho péptido junto a una molécula del complejo mayor de histocompatibilidad (MHC, acrónimo del inglés-Major Histocompatibility Complex).

Existen, de igual forma, múltiples servidores y algoritmos para la predicción de epítopos T, tanto para alelos de HLA-I como HLA-II. Entre los servidores utilizados para predecir epítopos que se unen a MHC-I se encuentran: el ProPred1, HLAPred, MHCPred, entre otros. Por otro lado, de los servidores existentes para predecir epítopos T de MHC-II podemos citar el ProPred y el MHC2Pred (6).

Estudios que impliquen la combinación de predicción de epítopos B y T brindan la posibilidad de obtener mejores resultados.

En la actualidad se considera de extrema necesidad contar con una vacuna contra el dengue, por lo que diferentes grupos de investigadores se incorporaron al desarrollo de tal objetivo.

Teniendo en cuenta que recientemente se identificó un mimotopo de la proteína NS4b (7), así como la posibilidad de encontrar nuevos epítopos inmunoprotectores de dicha proteína, en el presente trabajo se realizó un análisis de predicción de regiones antigénicas para células B y epítopos de células T de la proteína NS4b del virus DEN-3, usando herramientas bioinformáticas.

MATERIALES Y MÉTODOS

Búsqueda de secuencia nucelotídica del gen que codifica para la proteína NS4b del serotipo viral dengue 3

La Base de Datos UniProt (http://www.uniprot.org) (8) se utilizó para obtener la secuencia aminoacídica de la poliproteína del serotipo viral dengue 3 cepa D3 Martinica1243/99 (número de acceso Q6YMS3). La región aminoacídica correspondiente a la proteína NS4b se encontró en la posición 2243-2490 de la poliproteína.

Predicción de epítopos B

La predicción de epítopos B se realizó con una combinación de los servidores BcePred (http://www.imtech.res.in/raghava/bcepred) y ABCpred (http://www.imtech.res.in/raghava/abcpred) (9). Para el servidor Bcepred se determinó un índice de 2,38%, al considerar que este algoritmo posee diferentes valores de corte para cada una de las propiedades físico-químicas, seleccionadas a partir de las cuales los péptidos predichos son considerados como epítopos, para el servidor de ABCpred se seleccionaron epítopos de células B de 9 aminoácidos de longitud con un índice de 0,5%.

Predicción de epítopos T

La predicción de epítopos T se realizó a través del servidor HLAPred (http://www.imtech.res.in/raghava/hlapred/) (10), diseñado por el Centro de Bioinformática del Instituto de Tecnología Microbiológica de la India. Además, los epítopos T promiscuos para moléculas HLA clase I, se identificaron con el servidor Propred1 (http://www.imtech.res.in/raghava/propred1/ (11) y para HLA clase II, se utilizó el servidor ProPred (http://www.imtech.res.in/raghava/propred/index.html) (12). Los valores de corte utilizados fueron los predeterminados por ambos servidores.

La predicción de epítopes T se realizó para alelos de moléculas HLA-I y HLA-II, según los reportes de la distribución de estos alelos en una muestra de 129 donantes sanos de la población cubana de La Habana (13).

Estudio de la presentación de un epítopo de células T de la proteína NS4b por una muestra de la población cubana

Para conocer la cobertura poblacional frente al epítopo seleccionado -FEKQLGQV- de la proteína NS4b se utilizó el servidor Population Coverage (http://tools.immuneepitope.org/tools/population/iedb_input).

Se emplearon como referencia estudios de distribución de HLA en muestras de 129 donantes sanos de la población cubana de La Habana, para alelos de HLA clase I (13).

Los resultados se expresaron en el porcentaje de la población estudiada con potencialidad para presentar como el epítopo seleccionado FEKQLGQV, en el contexto de sus moléculas.

El programa de cálculo de cobertura poblacional (14) permitió obtener para este epítopo la predicción teórica de la presentación para alelos clase I de HLA de las poblaciones brasileñas, mexicana y malaya.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La inmunoinformática consiste en la aplicación de las herramientas computacionales al estudio de las moléculas del sistema inmune y constituye una disciplina emergente, capaz de guiar el diseño de experimentos para responder a importantes interrogantes en la inmunobiología y la vacunología (6).

La predicción de epítopes B podría disminuir en gran medida el trabajo experimental en la búsqueda de candidatos vacunales. Se han identificado epítopos de células B de las proteínas del virus dengue: E, C, NS1, NS4a, prM y NS3 (15).

La proteína NS4 está constituida por dos proteínas: NS4a y NS4b; esta última ha sido poco estudiada y es una de las más pequeñas proteínas hidrofóbicas del virus del dengue. La NS4b sirve como sitio de anclaje para el complejo de replicación viral (4).

La tecnología de presentación de péptidos y proteínas en la superficie de los bacteriófagos se aplica en la selección de determinantes antigénicos. Este trabajo es la continuidad de la identificación previa de un mimotopo de la proteína NS4b del virus dengue serotipo 3, donde se emplean sueros de pacientes que contienen anticuerpos contra el virus dengue (7).

Resulta de interés identificar nuevos epítopos con capacidad de ser reconocidos por células B en la proteína NS4b basado en la posible expresión de este epítopo (FEKQLGQV) durante el curso de la enfermedad y que fuese capaz de inducir una respuesta inmune humoral.

Existen diversos servidores que permiten identificar la presencia de epítopes B en una proteína.

Uno de los utilizados para el análisis fue el BcePred, el cual predice epítopes lineales de células B basado en las propiedades físico-químicas de la proteína de interés, tales como hidrofìlicidad, flexibilidad, accesibilidad, presencia de lazos en la estructura, polaridad, exposición de epítopos en la superficie, propiedades antigénicas o una combinación de alguna de estas propiedades.

La exactitud de la predicción para los modelos basados en estas propiedades varía de 52,7% a 57,53% (9).

A través de dicho servidor se identificaron 27 epítopos de células B para las características fisico-químicas seleccionadas, excepto para la correspondiente a la presencia de lazos en la estructura (Tabla 1).

Igualmente fueron predichos 27 epítopos de células B con puntuaciones entre 0,83 y 0,52 para el programa ABCpred (Tabla 2). Este servidor se emplea ampliamente, ya que selecciona epítopos con un elevado porcentaje de seguridad (65,93%).

Entre los epítopos B predichos por la combinación de ambos programas (Tabla 1 y 2), se encuentra el correspondiente al NS4b mimotopo (secuencia 164-171 a.a), descrito previamente por Amin y cols. (7). Este epítopo mimotopo fue capaz de unirse a anticuerpos antidengue, al competir específicamente por la unión al virus.

Otros autores también involucran a la proteína NS4b del virus dengue en la respuesta humoral (16). Los estudios de la respuesta inmunológica humoral y celular de la secuencia aminoacídica del mimotopo como un péptido sintético están en curso.

Es de señalar, además, que este epítopo está altamente conservado entre los cuatro serotipos, según las comparaciones de la secuencia de a.a, que codifica para esta proteína. La NS4b comparte un 78% a 85% de identidad entre los virus del complejo dengue (4). Van y colaboradores (17) igualmente identificaron epítopos de células B conservados en la proteína NS4b. El presente estudio permitió describir por primera vez secuencias aminoacídicas de la proteína NS4b del virus dengue implicadas en el reconocimiento de células B.

La respuesta inmune inducida por dengue incluye la humoral, protagonizada por los anticuerpos neutralizantes, así como la respuesta de células T CD4+ tipo auxiliadoras y células T CD8 + tipo citotóxicas. El principal rol de la inmunidad celular es a través de la cooperación de los linfocitos T CD4+ y la lisis eficiente de la células infectadas por las células T citotóxicas (18).

Los linfocitos T son capaces de reconocer péptidos extraños en el contexto de las moléculas del HLA propio. A través de su receptor reconocen el determinante antigénico formado por un péptido asociado a las moléculas del HLA. Los linfocitos T CD4+ reconocen péptidos asociados a la molécula de HLA clase II, mientras que los linfocitos T CD8+ reconocen péptidos asociados a la molécula de HLA clase I. Este fenómeno se conoce como restricción por el HLA.

La variabilidad de los alelos HLA puede impactar en la respuesta inmune individual durante la vacunación. Numerosos algoritmos se desarrollan para realizar estudios de predicción de la posible afinidad de las secuencias peptídicas a los diferentes alelos HLA clase I y II. Esta puede impactar en la respuesta inmune individual durante la vacunación (3).

Se ha demostrado que el virus del dengue incrementa la expresión de moléculas HLA clase I y II en las células infectadas. En varios trabajos se describen epítopos T a lo largo de toda la poliproteína de los virus del dengue (15, 18) y se encuentran localizados principalmente en la proteína NS3. También se han identificado epítopos T en las proteínas virales siguientes: C, M, NS5, NS4a y E, utilizando tanto métodos computacionales como inmunológicos tradicionales (15). Es por esto que en este trabajo nos propusimos realizar una predicción de epítopos T de la proteína NS4b del serotipo viral dengue 3.

En la proteína NS4b se predijeron un total de 126 epítopos T con el servidor HLAPred; de ellos 101 HLA clase I y 11 clase II, los cuales se seleccionaron con respecto a reportes de la distribución de los mismos en una muestra de la población de La Habana (13).

En las Figuras 1 y 2 se muestran el número de epítopos predichos con cada uno de los alelos incluidos en el análisis, tanto para la mayor cantidad de alelos posibles de los reportados para una muestra de la población cubana (13), así como para los asociados con la protección o susceptibilidad a la infección por virus del dengue (18). Con los servidores Proped y Proped1 se lograron identificar 13 epítopos T promiscuos, los cuales pueden unirse a varios alelos del HLA (Tabla 3).

Estos resultan potenciales candidatos vacunales debido a la posibilidad teórica que tienen de unirse a una gran diversidad del producto de expresión de variantes alélicas de moléculas HLA existentes en las poblaciones (3) y conformar determinantes antigénicos que son reconocidos por los linfocitos T.

De esta manera se amplían las posibilidades de desencadenar respuestas inmunes protectoras en el contexto del desarrollo de vacunas.

El polimorfismo de los genes para los antígenos HLA se relaciona con la protección o la susceptibilidad ante el desarrollo de la enfermedad por dengue. Sierra y cols. (18) demostraron que los alelos clase I HLA A31 y el HLA B15 tienen una frecuencia incrementada en individuos cubanos con historia de infección clínica por virus del dengue. En un estudio que se realizó en una población vietnamita se encontró una fuerte asociación entre la presencia del alelo HLA A24 con las formas clínicas de la infección por dengue (19). Dicho alelo es uno de los más frecuentes expresados, especialmente en pacientes con fiebre hemorrágica dengue/síndrome de choque dengue (FHD/SCD), cuando se comparó con sujetos controles. Otros alelos clase I HLA A26 y 68 se identificaron y asociaron a posible riesgo en la aparición de formas graves de la enfermedad en una población malaya (20).

En este estudio de predicción de epítopos en la proteína NS4b se presentaron un total de cuatro péptidos capaces de unirse al alelo HLA A24 y A68, así como un total de ocho epítopos para el alelo HLA A31 (Fig. 1).

La presencia de alelos asociados con la susceptibilidad a las formas severas de la enfermedad por dengue induciría una respuesta inmune patológica, por lo cual dichos epítopos deberán ser excluidos de un posible candidato vacunal contra el dengue. En un trabajo previo realizado en la población de La Habana el alelo HLA clase I B15 (Fig. 1), se asocia con la forma grave de la enfermedad (13), mientras que en el presente análisis no fue predicho ningún epítopo para dicho alelo.

La asociación positiva más reportada del polimorfismo de los genes HLA con protección a la infección por virus dengue ha sido la presencia de los alelos protectores DRB107 y DRB104 (15). En este estudio se encontró un número importante de péptidos predichos en la proteína NS4b con capacidad para unirse a estos alelos.

Otra investigación realizada en la población tailandesa demostró una asociación entre el alelo HLA B44 y la protección a padecer las formas graves de le enfermedad (18). Como se muestra en la Figura 1 el alelo HLA B44 fue reportado para ocho péptidos en nuestro estudio.

Aún cuando en este análisis de predicción se encontraron numerosos epítopos que se relacionan con alelos de susceptibilidad a la infección por dengue, se detectaron un número importante de alelos protectores.

En este sentido, la utilización de estos últimos, como parte de una vacuna de subunidades antidengue, permitiría incluir en la formulación final dichos epítopos protectores de cada uno de los serotipos virales. Esto impactaría en el resultado de la respuesta inmune a la vacunación.

Un determinante indispensable de inmunogenicidad para los péptidos es su capacidad de unión a las moléculas HLA. La selección de péptidos con especificidades de unión diferentes al HLA amplía la cobertura poblacional, condición aprovechable en el diseño de vacunas de subunidades.

La cobertura para alelos de HLA clase I resultó para la población cubana europoide del 59,93% y para la africanoide del 58,8% (Tabla 4).

Teóricamente, la inclusión de este epítopo pudiera producir una adecuada estimulación de la respuesta inmune específica en la población utilizada como referencia, aunque debe tomarse en consideración que estos resultados no son extrapolables al conjunto de la población cubana debido al tamaño de la muestra analizada y a la no representación de las poblaciones de distintas regiones del país.

Existen pocos trabajos en la literatura que identifican epítopos de células específicas del virus dengue protectores en diversas poblaciones del mundo, con la aplicación de métodos computacionales (19-22).

El uso de estos sistemas de estimación teórica de cobertura vacunal para poblaciones específicas, pudiera ser de gran utilidad para el desarrollo de vacunas, teniendo en cuenta la composición genética de poblaciones determinadas.

En la Tabla 4 se presentan los porcentajes de cobertura en tres poblaciones diferentes tomadas como modelos:mexicanos, brasileños y malayos, los cuales difieren en su constitución genética, localización geográfica e incidencia de dengue.

La cobertura de los alelos HLA clase I correspondientes al epítopo en estudio fue similar al de las poblaciones de la región de las Américas. La población malaya mostró un valor relativamente más bajo en comparación con las restantes analizadas (Tabla 4). Dicha población se conforma por diferentes grupos étnicos: malayo, indio y chino, con una diversidad genética que revela la frecuencia de las variantes alélicas HLA diferentes (20).

El análisis de la cobertura poblacional se realizó a la población correspondiente al grupo étnico malayo, lo cual explica la diferencia encontrada con las restantes poblaciones que se estudiaron. A pesar de que el epítopo bajo estudio no se presentó con igual cobertura para las diferentes poblaciones estudiadas sí presentó buenos porcentajes, lo cual evidencia que si se usara como parte de candidatos vacunales basados en epítopos se obtendría una adecuada respuesta protectora.

La respuesta inmune contra el dengue incluye ambos alelos: HLA clase I y HLA clase II, por lo cual es importante considerar que se realice en el futuro un estudio relacionado con la presentación del epítopo de células T-FEKQLGQV- de la proteína NS4b para los alelos HLA clase II.

El estudio de predicción realizado en este trabajo permitió predecir nuevos epítopos de células B y T de la proteína NS4b del virus dengue 3, que pudieran estar implicados en la respuesta inmune al virus. La secuencia del mimotopo de la proteína NS4b fue predicha como un epítopo de células B y mostró elevada probabilidad de ser presentado por una proporción de individuos de la población cubana y de otras zonas geográficas. El empleo de las herramientas bioinformáticas tiene el potencial de acelerar investigaciones, entre las que se encuentran el desarrollo de vacunas, lo cual en combinación con ensayos in vitro son una excelente estrategia para la identificación de péptidos inmunogénicos.

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Recibido: Abril de 2013
Aceptado: Mayo de 2013