evolucion viral: las bases moleculares de la eficacia biológica. jose usme ciro
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EVOLUCIÓN VIRALLas bases moleculares de la eficacia
biológica
José Usme CiroEstudiante de doctorado
Grupo de Neurociencias de Antioquia
Ciclo de conferencias “Tardes de Ingenio”Conmemoración de los 200 años del natalicio de Charles Darwin
29-04-2009
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Gripe porcina: Influenza A H1N1
México: 1995 personas hospitalizadas, 149 muertes (20 confirmac. virológica)
Estados Unidos: ~ 50 casos
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Panorama general del problema mundial
Kim et al. 1999. J Gen Virol 80: 2613-9.
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Qué son los virus?entidades infecciosas no vivientes: NO pueden capturar ni almacenar
energía libre y no son funcionalmente activos fuera de la célula.
Genoma, Replicación, Evolución-Adaptación
Parásitos genéticos intracelulares obligados, pero no organismos vivos (van Regenmortel & Mahy, 2004)
Talaro & Talaro. 2002. Fundations in Microbiology. McGraw Hill.
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Ciclo de vida de un virus animal
Gao et al. 2005. PNAS 102: 9469-74
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Qué tienen en común?
Simetrías principalmente icosahédricas
Estructuras compactas, económicas y muy estables
Selección termodinámica
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Abundancia y preferencias
3 ordenes 73 familias
287 géneros 1950 especies
mas de 5450 virus
Grandes virus dsDNA
Virus dsRNAVirus RNA
Amplio rango de virus
Fauquet et al. 2005. Virus Taxonomy. 8th report of the ICTV. Elsevier Academic press
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Transmisión
Diferentes historias de vida, todas ellas estrategias estables a nivel evolutivo
Virus animales aire, heridas, contacto mucosas, vectores
Virus de plantasvectores
Virus de hongoshorizontal fusión de hifas
Virus de bacteriasvirus libre, pili
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¿Cual es el origen de los virus?Posiblemente múltiples orígenes
Variedad de genomas y estrategias de replicación.
Estructuras similares, pero de diferente composición proteica
Organización genómica ssRNA(-)
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DNA
RNA
Proteínas
¿Origen celular?
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Otros posibles orígenes
• Descendientes de replicones RNA o parecidos a RNA (Viroides remanentes de Mundo RNA)– RNA RNA + Proteína RNA + DNA + Proteína
• Evolución de microbios con organización celular hacia el parasitismo
• Coevolución con formas celulares primitivas
No registro fósil!!!¿Y qué decir de la diversidad actual?
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Origen del origen
Especies no son entidades fijas.
Descienden de un ancestro
común
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Descendencia con modificaciónEn las poblaciones naturales se producen muchos mas
descendientes de los que pueden sobrevivir y reproducirse!!
¡¡¡Variabililidad-Genotipo!!!
Big picture on evolution . 2007. Welcome Trust Series
¡¡¡Fenotipo-Selección Natural!!!
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Redescubrimiento de las leyes de Mendel y teoría sintética de la evolución
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Evolución Viral
Fuente de la variación
Cambio en el patrón de la variación
Mutación
Recombinación
Reasociación Deriva genética
Selección Natural
Cambio en la composición genética de una población de virus DNA o RNA a través del tiempo
Domingo E . 2007. Virus evolution. Fields Virology 5th Ed.
Futuyma D. 1998. Evolutionary biology. Sinauer Associates
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Fuentes de Variación: Mutación
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Fuentes de Variación: Mutación
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Fuentes de Variación: Mutación
Gago et al. 2009. Science 323:1308
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Fuentes de Variación: Recombinación, Reasociación
Recombinación (Algunos virus DNA y RNA)
Parentales
Célula hospedera
Progenie
Reasociación(SOLAMENTE in RNA viruses)
El sexo en los virus se convierte en una importante fuente de variación!!!
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Umbral de error
• Tasa de error promedio crítica, por encima de la cual la información codificada por un sistema genético no puede ser mantenida
Catastrofe de error
Domingo E. 2000. Virology 270: 251-3
¡¡¡Mutagénesis letal!!!
Extinción
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Cuasiespecies virales
Luque B. 2003. CEJP 3: 516-55
“The genome of Qβ phage cannot be described as a defined unique structure, but rather as a weighted average of a large number of individual sequences”
Domingo et al. 1978. Cell 13:735–44
Unidad de selección!!!
Domingo E. 2006. Quasispecies: Concept and Implications for Virology. CTMI 299. Springer-Verlag
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Selección natural
Darwin C. 1872. The Origin of Species. 6th ed. John Murray. London
Schuster P. 2008. The BioScience Day
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Paisaje adaptativo
Poblaciones de Virus RNA
Plasticidad genética
Tasas de mutación
Dinámica de cuasiespecies
Adaptación
Cada genotipo posible es representado por un fitness único
Elena & Lenski. 2003. Nat Rev Gen. 4: 457-69
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Eficacia biológica – “Fitness viral”
Habilidad relativa de una población viral para producir progenie infecciosa bajo un conjunto
de condiciones ambientales definido
Es definido el fenotipo viral únicamente por la capacidad replicativa?
El éxito reproductivo de un virus dependerá de muchos factores:- Interacción con receptor celular- Entrada- Desnudamiento- Replicación- Ensamblaje- Salida
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Abzhanov et al. 2004. Science 305: 1462-5Abzhanov et al. 2006. Nature 442: 563-7
Genotipo – Fenotipo : Bases moleculares de la eficacia biológica
Pinzones de Darwin – Gran complejidad en relación genotipo - Fenotipo
(Modis et al., 2004)
Quiñones-Mateu & Arts. 2006. CTMI 299. Springer-Verlag
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Experimento natural – DENV-2
Asia
Cuba 1981
Jamaica 1981
Rutas de dispersión!!
Colombia
Venezuela
Pto.Rico
CARIBE
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Linaje Asiático/Americano
Linaje Americano
Filogeografía
Fuente: PAHO/WHO 2002 con modificaciones
SE Asia
1981 Cuba
1997 Reintroducción
1989?
1993 Puerto Rico
?
1985-1987
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Presiones de selección DENV-2Jamaica81 como referencia
324: ValIle; LeuVal
347: ValAla
462: IleVal
491: AlaVal
340: MetThr
342: LeuSer
359: ThrAla; ThrIle Pérdida de aa potencialmente involucrado en fosforilación/glicosilación
Conservativos
Plegada con dominio II durante fusión membranas Efecto?
Dominio III Efecto en interacción virus-receptor-sistema inmune
¿Cuánto podemos decir con base en un árbol filogenético?
• Dominio de unión al receptor celular• Dominio de fusión de membrana• Determinantes antigénicos
(Modis et al., 2004)
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Presiones de selección DENV-2
Cambios que han acompañado la entrada y dispersión del DENV-2 en las Américas y
Colombia
491 (ValAla)
En linaje Asiático-Americano
Reversión
Efecto?
340 (MetThr) Dominio III
Adaptativo?
359 (ThrAla) Glicosilación
Extinción? Fitness?
462 (IleVal) Cosmopolita
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Diversidad Nucleotídica = 0,03937 (2= 0,0000669, = 0,00818)
Estadístico D de Tajima= -1,98306 (P<0,05)
Prueba estadística F* de Fu y Li= -3,06754 (P<0,05)
ns= 0,00749; s= 0,13965; ns/s= 0,0536
Pruebas de Neutralidad DENV-2
Fuerte selección negativa (Purificadora)
Ho: Evolución neutral
Patrones de variación nucleotídica se desvían de lo predicho por la teoría neutral
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Codón respecto al gen E
Valor de p*
347 0,00064384 0,00004389 0,00027409 0,00002429 0,00014495 0,00013
Evolución adaptativa en DENV-2dN/dS global = 0,053 IFEL, FEL y SLAC.
Diversos estudios han demostrado selección purificadora
Codones sujetos a selección negativa obtenidos por FEL para DENV-2
Dominio III
Porción No Soluble
Selección positiva Emergencia?
491 (ValAla)
340 (MetThr)
462 (IleVal)
359 (ThrAla)
Valor adaptativo Evolución experimental!!!
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¡¡¡Convergencia adaptativa!!!
DF DHF DHFDF DF DHF DFDHF DF DHF DFDFDF DHF DFDF
??
??
??
??
??
??
??
?
?
?
DENV-4 DENV-2 DENV-1 DENV-3
Dengue Clásico (DF) y Dengue Hemorrágico (DHF)
Múltiples factores involucrados en patogénesis
Valor adaptativo? demasiada complejidad – muchas variables
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Virus RNA como modelos de evolución molecular
Estudios básicos experimentales para explicación biológica de patrones y variaciones
Evolución ExperimentalEntender los procesos difíciles de probar en estudios de campo
Diferencias ecológicas que conducen al cambio evolutivo
• Facilidad de propagación en cultivo celular• Tiempos de generación cortos• Grandes tamaños de población• Posibilidad de congelar y comparar ancestros-
descendientes• Clonalidad• Variables ambientales controlables• Altas tasas de mutación (colección de variantes en
corto tiempo)
Evolución experimental
Evolución viral en dinámica de enfermedad
Vigilancia – Control - Prevención
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Flint et al. 2004. Principles of Virology 2nd ed. American Society Microbiology
Efecto del tamaño de población en el fitness viral
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Pases seriados
600-720 nucleótidos Identidad de secuencia = 100%Condiciones ambientales constantes
Tamaño de población GRANDE
Población viral estable
Fijación mutaciones requiere MUCHO tiempo
Cambios dependientes del tamaño de la población
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Deleción en el dominio II de la proteína de Envoltura
Condiciones ambientales constantes
Tamaño de población PEQUEÑO
Deriva genética
Fijación de mutaciones en POCO tiempo
Cambios dependientes del tamaño de la población
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Cambio en patrón de variación: Deriva genética
Futuyma D. 2005. Evolution. Sinauer Associates
Gran efecto en poblaciones
pequeñas!!
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Cuellos de botella genéticos y Trinquete de Müller
En poblaciones asexuales pequeñas, las mutaciones deletéreas se acumularán inevitablemente disminuyendo el fitness. Este proceso puede llevar a la extinción de la población, si no existe algún mecanismo que incremente su diversidad
Turner P. 2005
Muller J. 1964. Mutat Res 106: 2-9
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Virus transmitidos por artrópodos
(Mukhopadhyay et al., 2005)
InvertebradoVertebrado
Replicación
Mantenimiento
Dos presiones de selección
+ Cuello de botella
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Pases alternos
Tradeoffs durante alternancia de hospederos
Dethlefsen et al. 2007. Nature 449: 811-8Elena & Lenski. 2003. Nat Rev Gen. 4: 457-69
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Cuasiespecies de memoria y resistencia a antivirales
Quiñones-Mateu & Arts. 2006. CTMI 299. Springer-Verlag
Briones & Domingo. 2008. AIDS Rev 10: 93-109
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Weiss RA. 2009. Journal of Biology 8: 20
Coevolución parásito-hospedero
Weaver SC. 2006. CTMI 299: 285-314
Culex
Alphavirus ?
Holmes & Twiddy. 2006. Infect Gen Evol 3: 19-28
Flavivirus
Necesitamos definir el recurso que media la evolución de la asociación ecológica
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Hipótesis de la Reina Roja
“Now here, you see, it takes all the running you can do, to keep in the
same place” Lewis Carroll. 1872. Through the Looking Glass
“Se requiere evolución continua para mantener el mismo nicho”(Van Valen, 1973)
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Carrera armamentista
Tasa evolutiva de genes RNAi antiviral
Tasa evolutiva de genes virales VSR
Cullen BR. 2009. Nature 457: 421-5
VSRs
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Carrera armamentista
• MHC
Cluster de proteínas APOBEC3 en primates
Vif se une y lleva a degradación de APOBEC3
Incorporación APOBEC3 en los viriones de HIV
Degradación o Hipermutación durante RT
NO incorporación de APOBEC3 en viriones
Cullen BR. 2006. J Virol : 1067-76
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Respuesta immune• Reducción en niveles de expresión de MHC clase I
– HSV
• Reducción actividad de células NK (No INF, No Muerte)– HIV
• Supresión de la apoptosis– Proteínas relacionadas a BCL-2 (Algunos Virus DNA)
• Inhibición de la producción de Interferon– NS1 (Influenza A)– NS3, NS4A (HCV)– NS2A, NS4A, NS4B (DENV)
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Salto de especiesExpansión del rango de
hospederosProceso estrictamente ecológico
(Dennehy et al. 2006).
Emergencia de enfermedades virales
Salto a un nuevo hospedero
Menor fitness en relación al hospedero original (Cuevas et al. 2003).
trade-off
Novedades evolutivas
potential adaptativo
Selección natural
Incremento de frecuencia de variantes genéticas con alta habilidad para explotar nuevo recurso (Li et al. 2005).
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El salto de especies requiere cambios ecológicos
Salto de especies
Emergencia de enfermedades virales
Incremento del contacto entre las especies de hospederos real y potencial (Manrubia and Lazaro 2006)
Humanos han propiciado nuevos contextos
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Woolhouse. 2005. TRENDS Ecol Evol 20: 238-44
Patógenos emergentes a través del salto de especies
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Patógenos prioritarios NIAID
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Dinámica evolutiva de los virus
Evolución Molecular Evolución Experimental
Modelo para evaluar valor adaptativo de los cambios presentes en los diferentes linajesEpidemiología Molecular
“Fitness” viral
Dinámica viral en poblaciones de hospederos
Vigilancia, Control, Prevención