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

Gripe porcina: Influenza A H1N1

México: 1995 personas hospitalizadas, 149 muertes (20 confirmac. virológica)

Estados Unidos: ~ 50 casos

Panorama general del problema mundial

Kim et al. 1999. J Gen Virol 80: 2613-9.

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.

Ciclo de vida de un virus animal

Gao et al. 2005. PNAS 102: 9469-74

Qué tienen en común?

Simetrías principalmente icosahédricas

Estructuras compactas, económicas y muy estables

Selección termodinámica

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

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

¿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(-)

DNA

RNA

Proteínas

¿Origen celular?

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?

Origen del origen

Especies no son entidades fijas.

Descienden de un ancestro

común

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!!!

Redescubrimiento de las leyes de Mendel y teoría sintética de la evolución

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

Fuentes de Variación: Mutación

Fuentes de Variación: Mutación

Fuentes de Variación: Mutación

Gago et al. 2009. Science 323:1308

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!!!

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

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

Selección natural

Darwin C. 1872. The Origin of Species. 6th ed. John Murray. London

Schuster P. 2008. The BioScience Day

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

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

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

Experimento natural – DENV-2

Asia

Cuba 1981

Jamaica 1981

Rutas de dispersión!!

Colombia

Venezuela

Pto.Rico

CARIBE

Linaje Asiático/Americano

Linaje Americano

Filogeografía

Fuente: PAHO/WHO 2002 con modificaciones

SE Asia

1981 Cuba

1997 Reintroducción

1989?

1993 Puerto Rico

?

1985-1987

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)

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

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

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!!!

¡¡¡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

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

Flint et al. 2004. Principles of Virology 2nd ed. American Society Microbiology

Efecto del tamaño de población en el fitness viral

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

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

Cambio en patrón de variación: Deriva genética

Futuyma D. 2005. Evolution. Sinauer Associates

Gran efecto en poblaciones

pequeñas!!

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

Virus transmitidos por artrópodos

(Mukhopadhyay et al., 2005)

InvertebradoVertebrado

Replicación

Mantenimiento

Dos presiones de selección

+ Cuello de botella

Pases alternos

Tradeoffs durante alternancia de hospederos

Dethlefsen et al. 2007. Nature 449: 811-8Elena & Lenski. 2003. Nat Rev Gen. 4: 457-69

Cuasiespecies de memoria y resistencia a antivirales

Quiñones-Mateu & Arts. 2006. CTMI 299. Springer-Verlag

Briones & Domingo. 2008. AIDS Rev 10: 93-109

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

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)

Carrera armamentista

Tasa evolutiva de genes RNAi antiviral

Tasa evolutiva de genes virales VSR

Cullen BR. 2009. Nature 457: 421-5

VSRs

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

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)

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).

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

Woolhouse. 2005. TRENDS Ecol Evol 20: 238-44

Patógenos emergentes a través del salto de especies

Patógenos prioritarios NIAID

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

Gracias!!!juciro@gmail.com