Descripción de los virus

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(-)

12. DNA
RNA
Proteínas
¿Origen celular?

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: ValIle; LeuVal
347: ValAla
462: IleVal
491: AlaVal
340: MetThr
342: LeuSer
359: ThrAla; ThrIle 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 (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. 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
(ValAla)
340
(MetThr)
462
(IleVal)
359
(ThrAla)
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

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!!!
juciro@gmail.com