Filogenia, Evolução e o Estudo de Patógenos Virais · Integração entre biologia molecular, biologia evolutiva e genética de populações . Resumo Evolução Mecanismos Evolutivos

Filogenia, Evolução e o Estudo de Patógenos Virais

Atila Iamarino atila@usp.br

http://scienceblogs.com.br/rainha/

O que é evolução molecular

Integração entre biologia molecular, biologia

evolutiva e genética de populações

Resumo

Evolução

Mecanismos Evolutivos Mutação

Migração

Recombinação

Deriva Genética

Seleção Natural

Biologia evolutiva como ferramenta para o estudo de patógenos

Exemplos

A_Arizona_01_2009_112_2009.307 ATG AAT CCA AAC CAA AAG ATA ATA ACC ATT GGT TCG GTC

A_Arizona_01_2009_112_2009.307 AUG AAU CCA AAC CAA AAG AUA AUA ACC AUU GGU UCG GUC

A_Arizona_01_2009_112_2009.307 Met Asn Pro Asn Gln Lys Ile Ile Thr Ile Gly Ser Val

A informação está contida no DNA/RNA

Conceito:

Variação na frequência alélica entre uma

geração e outra

Geração 1 Geração 2 Geração 3 Geração 4

O que é evolução

Geração 1 Geração 2 Geração 3 Geração 4

Mutação

Mecanismos evolutivos: Mutação

Geração 1 Geração 2 Geração 3 Geração 4

População 1

População 2

Mecanismos evolutivos: Migração

Mecanismos evolutivos: Recombinação

Simon-Loriere, E., & Holmes, E. C. (2011). Why do RNA viruses recombine? Nature reviews. Microbiology, 9(8), 617-626.

Tempo para fixação ~4N gerações

Origem do alelo (1ª geração)

Mecanismos evolutivos: Deriva

Mecanismos evolutivos: Deriva

População parental

Gargalo (redução drástica na população)

Sobreviventes

Próxima geração

• Organismos diferem em sua habilidade de sobreviver e se reproduzir, devido principalmente a diferenças genéticas entre os indivíduos. • A cada geração os indivíduos que sobrevivem e se replicam/reproduzem mais eficientemente, contribuem mais na formação da proxima geração. • A seleção atua somente em caracteres herdáveis.

Mecanismos evolutivos: Seleção

Mecanismos evolutivos: Seleção

Fenótipo

Fitness

• Comparação da taxa de substituição sinônima (dS) e não sinônima (dN) por sítio (dN/dS = ): Ser Met Leu Gly Gly

Seq 1: TCA ATG TTA GGG GGA † * † † ** Seq 2: TCG ATA CTA GGT ATA Ser Ile Leu Gly Ile †substituição sinônima *substituição não sinônima

dN/dS < 1.0 = seleção purificadora dN/dS ~ 1.0 = seleção neutra dN/dS > 1.0 = seleção positiva

Mecanismos evolutivos: Seleção Positiva

Eucariotos: ~ 0.01 mutações por genoma, por replicação ~10-8 a 10-9 substituições/sítio/ano Bactérias: ~ 0.003 mutações por genoma, por replicação ~10-7 a 10-9 substituições/sítio/ano

Por que vírus: Taxa de mutação Taxa de mutação (mutações/sítio/replicação)

Taxa de substituição (mutações/sítio/ano)

Duffy, S., Shackelton, L. a, & Holmes, E. C. (2008). Rates of evolutionary change in viruses: patterns and determinants. Nature reviews. Genetics, 9(4), 267-76. doi:10.1038/nrg2323

Sironen et al. (2001):

Taxa de substituição ~1x10-7!!

Filogenias

Sironen et al. (2001):

Taxa de substituição ~1x10-7!!

Imunidade cruzada efetiva

Filogenias contém história

Grenfell, B. T., Pybus, O. G., Gog, J. R., Wood, J. L. N., Daly, J. M., Mumford, J. a, & Holmes, E. C. (2004). Unifying the epidemiological and evolutionary dynamics of pathogens. Science, 303(5656), 327-32.

Sironen et al. (2001):

Taxa de substituição ~1x10-7!!

Imunidade cruzada parcial

Filogenias contém história

Grenfell, B. T., Pybus, O. G., Gog, J. R., Wood, J. L. N., Daly, J. M., Mumford, J. a, & Holmes, E. C. (2004). Unifying the epidemiological and evolutionary dynamics of pathogens. Science, 303(5656), 327-32.

Sironen et al. (2001):

Taxa de substituição ~1x10-7!!

Filogenias contém história

Grenfell, B. T., Pybus, O. G., Gog, J. R., Wood, J. L. N., Daly, J. M., Mumford, J. a, & Holmes, E. C. (2004). Unifying the epidemiological and evolutionary dynamics of pathogens. Science, 303(5656), 327-32.

Sem imunidade cruzada

Sironen et al. (2001):

Taxa de substituição ~1x10-7!!

Exemplos: Grupos antigênicos

Smith, D. J., Lapedes, A. S., de Jong, J. C., Bestebroer, T. M., Rimmelzwaan, G. F., Osterhaus, A. D. M. E., & Fouchier, R. a M. (2004). Mapping the antigenic and genetic evolution of influenza virus. Science, 305(5682), 371-6.

Sironen et al. (2001):

Taxa de substituição ~1x10-7!!

Exemplos: Rearranjo e o Influenza A H1N1 2009

Smith, G. J. D., Vijaykrishna, D., Bahl, J., Lycett, S. J., Worobey, M., Pybus, O. G., Ma, S. K., et al. (2009). Origins and evolutionary genomics of the 2009 swine-origin H1N1 influenza A epidemic. Nature, 459(7250), 1122-5.

Sironen et al. (2001):

Taxa de substituição ~1x10-7!!

Exemplos: Dengue no Brasil

Maria, Regina Figueiredo, P. D., Naveca, F. G., Bastos, M. D. S., Viana, S. D. S., Gomes, M. P., & Costa, C. A. (2008). Dengue Virus Type 4, Manaus, Brazil. Emerging Infectious Diseases, 14(4), 667-669.

DENV4

(2008)

DENV4

(2008)

Sironen et al. (2001):

Taxa de substituição ~1x10-7!!

Exemplos: Dengue no Brasil

De Melo, F. L., Romano, C. M., & de Andrade Zanotto, P. M. (2009). Introduction of dengue virus 4 (DENV-4) genotype I into Brazil from Asia? PLoS neglected tropical diseases, 3(4), e390.

DENV4

(2008)

Coalescência

Atualmente

Most Recent Common Ancestor (MRCA)

De volta ao MRCA

Exemplos: Coalescência

Exemplos: HIV

Hughes, G. J., Fearnhill, E., Dunn, D., Lycett, S. J., Rambaut, A., & Leigh Brown, A. J. (2009). Molecular phylodynamics of the heterosexual HIV epidemic in the United Kingdom. PLoS pathogens, 5(9), e1000590.

Exemplos: HIV e HCV, Líbia,1996

De Oliveira, T., Pybus, O. G., Rambaut, A., Salemi, M., Cassol, S., Ciccozzi, M., Rezza, G., et al. (2006). Molecular epidemiology: HIV-1 and HCV sequences from Libyan outbreak. Nature, 444(7121), 836–837.

Exemplos: HCV e grupos sociais

Romano, C. M., De Carvalho-Mello, I. M. V. G., Jamal, L. F., De Melo, F. L., Iamarino, A., Motoki, M., Pinho, J. R. R., et al. (2010). Social Networks Shape the Transmission Dynamics of Hepatitis C Virus PLoS ONE, 5(6), 9.

Exemplos: HIV BF na Argentina

Onde mais aplicar?