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

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 From text: Flint et al., 2004 Organización genómica ssRNA(-)

12. D N A RNA Proteínas ¿Origen celular?

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 5 th 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!!!

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 Quiñones-Mateu & Arts. 2006 . CTMI 299. Springer-Verlag (Modis et al., 2004)

28. Experimento natural – DENV-2 Asia Cuba 1981 Jamaica 1981 Rutas de dispersión!! Colombia Venezuela Pto.Rico CARIBE

29. Filogeografía Fuente: PAHO/WHO 2002 con modificaciones SE Asia 1981 Cuba 1997 Reintroducción 1989? 1993 Puerto Rico ? 1985-1987 Linaje Asiático/Americano Linaje Americano

31. Presiones de selección DENV-2 Cambios que han acompañado la entrada y dispersión del DENV-2 en las Américas y Colombia 491 (Val  Ala) En linaje Asiático-Americano Reversión Efecto? 340 (Met  Thr) Dominio III Adaptativo? 359 (Thr  Ala) Glicosilación Extinción? Fitness? 462 (Ile  Val) Cosmopolita

32. Pruebas de Neutralidad DENV-2 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 Fuerte selección negativa (Purificadora) H o : Evolución neutral Patrones de variación nucleotídica se desvían de lo predicho por la teoría neutral

33. 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 (Val  Ala) 340 (Met  Thr) 462 (Ile  Val) 359 (Thr  Ala) Valor adaptativo  Evolución experimental!!! 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

34. ¡¡¡Convergencia adaptativa!!! Dengue Clásico (DF) y Dengue Hemorrágico (DHF) Múltiples factores involucrados en patogénesis Valor adaptativo?  demasiada complejidad – muchas variables DF DHF DHF DF DF DHF DF DHF DF DHF DF DF DF DHF DF DF ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DENV-4 DENV-2 DENV-1 DENV-3

37. Efecto del tamaño de población en el fitness viral Flint et al. 2004. Principles of Virology 2 nd ed. American Society Microbiology

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 Gran efecto en poblaciones pequeñas!!

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 Invertebrado Vertebrado Replicación Mantenimiento Dos presiones de selección + Cuello de botella (Mukhopadhyay et al., 2005)

43. Tradeoffs durante alternancia de hospederos Pases alternos 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. Coevolución parásito-hospedero Weiss RA. 2009. Journal of Biology 8: 20 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

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

54. Patógenos prioritarios NIAID

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

56. Gracias!!! [email_address]