evolucion viral.ppt
- 1. EVOLUCIÓN VIRAL Las bases moleculares de la eficacia biológica José Usme Ciro Estudiante 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
- 2. Gripe porcina: Influenza A H1N1 México: 1995 personas hospitalizadas, 149 muertes (20 confirmac. virológica) Estados Unidos: ~ 50 casos
- 3. Panorama general del problema mundial Kim et al. 1999. J Gen Virol 80: 2613-9.
- 6. 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.
- 7. Ciclo de vida de un virus animal Gao et al. 2005. PNAS 102: 9469-74
- 8. Qué tienen en común? Simetrías principalmente icosahédricas Estructuras compactas, económicas y muy estables Selección termodinámica
- 9. Abundancia y preferencias 3 ordenes 73 familias 287 géneros 1950 especies mas de 5450 virus Grandes virus dsDNA Virus dsRNA Virus RNA Amplio rango de virus Fauquet et al. 2005. Virus Taxonomy. 8th report of the ICTV. Elsevier Academic press
- 10. Transmisión Diferentes historias de vida, todas ellas estrategias estables a nivel evolutivo Virus animales aire, heridas, contacto mucosas, vectores Virus de plantas vectores Virus de hongos horizontal fusión de hifas Virus de bacterias virus libre, pili
- 11. ¿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(-)
- 13. 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?
- 14. Origen del origen Especies no son entidades fijas. Descienden de un ancestro común
- 15. Descendencia con modificación En 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!!!
- 16. Redescubrimiento de las leyes de Mendel y teoría sintética de la evolución
- 17. 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
- 18. Fuentes de Variación: Mutación
- 19. Fuentes de Variación: Mutación
- 20. Fuentes de Variación: Mutación Gago et al. 2009. Science 323:1308
- 21. 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!!!
- 22. 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
- 23. 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
- 24. Selección natural Darwin C. 1872. The Origin of Species. 6th ed. John Murray. London Schuster P. 2008. The BioScience Day
- 25. 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
- 26. 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
- 27. Abzhanov et al. 2004. Science 305: 1462-5 Abzhanov 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
- 28. Experimento natural – DENV-2 Asia Cuba 1981 Jamaica 1981 Rutas de dispersión!! Colombia V e n e z u e l a P t o . R i c o CARIBE
- 29. Linaje Asiático/Americano Linaje Americano Filogeografía Fuente: PAHO/WHO 2002 con modificaciones SE Asia 1981 Cuba 1997 Reintroducción 1989? 1993 Puerto Rico ? 1985-1987
- 30. Presiones de selección DENV-2 Jamaica81 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)
- 31. 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
- 32. 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
- 33. Codón respecto al gen E Valor de p* 347 0,00064 384 0,00004 389 0,00027 409 0,00002 429 0,00014 495 0,00013 Evolución adaptativa en DENV-2 dN/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!!!
- 34. ¡¡¡Convergencia adaptativa!!! DF DHF DHF DF DF DHF DF DHF DF DHF DF DF DF DHF DF DF ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 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
- 35. Virus RNA como modelos de evolución molecular Estudios básicos experimentales para explicación biológica de patrones y variaciones Evolución Experimental Entender 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
- 37. Flint et al. 2004. Principles of Virology 2nd ed. American Society Microbiology Efecto del tamaño de población en el fitness viral
- 38. 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
- 39. 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
- 40. Cambio en patrón de variación: Deriva genética Futuyma D. 2005. Evolution. Sinauer Associates
- 41. 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
- 42. Virus transmitidos por artrópodos (Mukhopadhyay et al., 2005) Invertebrado Vertebrado Replicación Mantenimiento Dos presiones de selección + Cuello de botella
- 43. Pases alternos Tradeoffs durante alternancia de hospederos Dethlefsen et al. 2007. Nature 449: 811-8 Elena & Lenski. 2003. Nat Rev Gen. 4: 457-69
- 44. Cuasiespecies de memoria y resistencia a antivirales Quiñones-Mateu & Arts. 2006. CTMI 299. Springer-Verlag Briones & Domingo. 2008. AIDS Rev 10: 93-109
- 45. 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
- 46. 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)
- 47. Carrera armamentista Tasa evolutiva de genes RNAi antiviral Tasa evolutiva de genes virales VSR Cullen BR. 2009. Nature 457: 421-5 VSRs
- 48. 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
- 49. 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)
- 50. Salto de especies Expansión del rango de hospederos Proceso 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).
- 51. 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
- 53. Woolhouse. 2005. TRENDS Ecol Evol 20: 238-44 Patógenos emergentes a través del salto de especies
- 55. Dinámica evolutiva de los virus Evolución Molecular Evolución Experimental Modelo para evaluar valor adaptativo de los cambios presentes en los diferentes linajes Epidemiología Molecular “Fitness” viral Dinámica viral en poblaciones de hospederos Vigilancia, Control, Prevención