Aplicaciones en epidemiolog a del an lisis filogen...
Transcript of Aplicaciones en epidemiolog a del an lisis filogen...
David PosadaUniversidad de Vigo
Aplicaciones en epidemiologíaAplicaciones en epidemiología
del análisis filogenéticodel análisis filogenético
David Posada
Universidad de Vigo
Santiago de Compostela, 12 Julio 2005
David PosadaUniversidad de Vigo
Epidemiología
• La epidemiología estudia el origen, distribución,frecuencia, determinantes, relaciones, prediccionesy control de enfermedades– Epidemia: enfermedad ampliamente extendida que afecta
a muchos individuos en una población
– Pandemia: epidemia de carácter mundial– Endemia: enfermedad geográficamente restringida que
afecta a pocos individuos en una población
David PosadaUniversidad de Vigo
Filodinámica
• La filodinámica estudia la interacción de lainmunodinámica, la epidemiología y la biologíaevolutiva
• La conexión entre procesos epidémicos y laevolución de los patógenos es central para:– Entender la evolución de la resistencia a medicamentos o
de la virulencia
– Diseño de vacunas
– Aparición de nuevas enfermedades
David PosadaUniversidad de Vigo
Categorías filodinámicas (I)
• Infecciones cortas con fuerte repuesta inmunecruzada (p.e., sarampión) - filogenia homogéneadeterminada por patrones espacio-temporales
• Infecciones cortas con débil repuesta inmune(p.e., gripe) - filogenia temporal determinada porselección
• Potenciación inmune (p.e., dengue) - filogenia muyestructurada
• Infecciones persistentes (p.e., HIV, HCV) -filogenia poblacional espacial, filogeniaintrapoblacional determinada por selección
David PosadaUniversidad de Vigo
Categorías filodinámicas (II)
David PosadaUniversidad de Vigo
Topologías
David PosadaUniversidad de Vigo
Demografía: skyline plots
• Utiliza la información de laslongitudes de rama
• Transforma la filogenia enla trayectoria del tamañoefectivo a lo largo deltiempo
• Programa GENIE
David PosadaUniversidad de Vigo
Hospedadores y parásitos
• La comparación de las filogenias de hospedadoresde hospedadores y parásitos nos puede indicarcodivergencia (c) o dispersión (d)
David PosadaUniversidad de Vigo
Reloj molecular
LRT = 2 ( Lsin reloj - Lreloj )g.l. = n-2
David PosadaUniversidad de Vigo
Estimas tasas de evolución y
tiempos de divergencia
• Estimas
• Comparación de modelos de evolución
tasa de evolución = d
AO! d
BO
TA! T
B
A
B
O
TiempoTA TB
David PosadaUniversidad de Vigo
Selección
• La selección natural puede dejar huella enlas secuencias de ADN
• Un parámetro clave es la tasa dN/dS– dN/dS = 0 bajo neutralidad
– dN/dS < 1 bajo selección purificadora
– dN/dS > 1 bajo selección positiva
• La tasa dN/dS se puede estimar en lasramas de una filogenia
David PosadaUniversidad de Vigo
Selección en HIV-1 env
dN/dS
U69592SA90
U69584SA85
U69590SA90
U69593SA90
U69586SA85
U69589SA90
U69591SA90
U69585SA85
U69588SA85
U69587SA85
HXB2
0
0.01
0.041
0.032
0.023
0.026
0.015
0.014
0.039
0.017
0.035
0.016
0.0085
0.073
0
0.021
0.036
0.065
0.016
0.025
0.017
0.0083
0.052
0.036
0.042
0.047
0.027
0
0.016
0
0.072
0.06732730.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
env
2.2
1.1
1.3
1.5
1.3
David PosadaUniversidad de Vigo
Predicción de la evolución (I)
• Virus de la gripe (influenza A); 8 fragmentosde RNA que codifican 10 proteínas
• Gen de la hemaglutinina
• Muestras de 1968 a 1987
David PosadaUniversidad de Vigo
Predicción de la evolución (II)
• Acumulaciónconstante desubstituciones
• Reemplazo de linajes
• Las substituciones enlinajes supervivientessuelen producirse ensitios antigénicos
David PosadaUniversidad de Vigo
Predicción de la evolución (III)
• Muestras 1985-1996• 18 codones
selectivos (dN/dS >1) en sitiosantigénicos de lahemaglutinina
• Predicen el linajeancestral de futuroslinajes ! cepacirculante de la gripepara el desarrollo devacunas efectivas
David PosadaUniversidad de Vigo
Pandemia de la gripe (I)
• La hemaglutinina (H)ha de cambiarradicalmente paraproducir una pandemia
• Neuroaminidasa (N)
• Las filogenias denucleoproteínasimplican que las cepasde la gripe puedenintercambiar genes
David PosadaUniversidad de Vigo
Pandemia de la gripe (II)
• Antes de la pandemia de 1968, el virus de la gripehumana no poseía H3
• Las filogenias de hemaglutininas implican que lapandemia de 1968 adquirió la H3 de aves
David PosadaUniversidad de Vigo
Origen del HIV-1 (I)
• La teoría OPV propone que el HIV-1 seoriginó a partir de vacunas contra la poliopreparadas con chimpancés de Kinsiganicon SIVcpz
David PosadaUniversidad de Vigo
Origen del HIV-1 (II)
• El análisis filogenético desmiente la teoría OPV
• Además indica el origen múltiple del HIV-1 a partirde SIVcpz del África central-oriental.
David PosadaUniversidad de Vigo
Origen del HIV-1 (III)
• Mediante análisis filogenético, se estima queel grupo M del HIV-1 se originó cerca de 1930.
David PosadaUniversidad de Vigo
Transmisión
• a: origen único de laepidemia o transmisiónentre pacientes 1-3
• b: hipótesis alternativapara el paciente 1
Muestras problema: 1-3Muestras control: 4-7
Muestras de la población: 8-9
David PosadaUniversidad de Vigo
Transmisión del HIV-1
• Las filogenias nosproporcionaninformación sobre lasecuencia detransmisión
• A día de hoy losárboles filogenéticospueden ser admitidoscomo pruebas enjuicios criminales
David PosadaUniversidad de Vigo
Resistencia a medicamentos
• Aunque la cargaviral del HIV-1 seaindetectable, suevolución prosigue
RED FILOGENÉTICA
David PosadaUniversidad de Vigo
Implementación bioinformática
• Demografía: Genie 3.0
• Tasas de evolución y tiempos dedivergencia: TipDate
• Redes filogenéticas: TCS
Alineamientos (Clustal), Selección de modelos (Modeltest),Estimación filogenética (PAUP*, Phyml)
David PosadaUniversidad de Vigo
Pasos análisis tasas y edades
• Alineamiento de secuencias de ADN(Clustal)
• Selección de modelo de substituciónnucleotídica (PAUP* + Modeltest)
• Estimación de un árbol de máximaverosimilitud (Phyml)
• Estimación de la tasa de evolución y de lasedades (TipDate)
David PosadaUniversidad de Vigo
Clustal X
• http://bips.u-strasbg.fr/fr/Documentation/ClustalX/
• Es uno de los programas de alineamiento más utilizados
David PosadaUniversidad de Vigo
PAUP*
• http://paup.csit.fsu.edu/• Programa general de inferencia filogenética
David PosadaUniversidad de Vigo
Modeltest• http://darwin.uvigo.es/software/modeltest.html
• Selección de modelos de substitución nucleotídica
David PosadaUniversidad de Vigo
Phyml• http://atgc.lirmm.fr/phyml/
• Inferencia rápida de árboles de máxima verosimilitud
David PosadaUniversidad de Vigo
TipDatehttp://evolve.zoo.ox.ac.uk/software.html?id=tipdate
David PosadaUniversidad de Vigo
Pasos análisis demografía
• Alineamiento de secuencias de ADN (Clustal)
• Selección de modelo de substitución nucleotídica(PAUP* + Modeltest)
• Estimación de un árbol de máxima verosimilitud(Phyml)
• Estimación de longitudes de rama bajo el relojmolecular (TipDate)
• Estimación de parámetros demográficos (Genie)
David PosadaUniversidad de Vigo
Genie• http://evolve.zoo.ox.ac.uk/software.html?id=genie• Asume que las longitudes de rama del árbol son
proporcionales al tiempo
David PosadaUniversidad de Vigo
Pasos análisis redes
filogenéticas
• Alineamiento de secuencias de ADN(Clustal)
• Estimación de red filogenética (TCS)
David PosadaUniversidad de Vigo
TCS
• http://darwin.uvigo.es/software/tcs.html
• Construcción de redes filogenéticas