Filogenia evolucao 2012

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Evolução viral e o uso de ferramentas de bioinformática Atila Iamarino [email protected] http://scienceblogs.com.br/rainha/

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Palestra sobre evolução moleular de vírus ministrada na disciplina de Microbiologia Ambiental de 2012 - ICB USP.

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Evolução viral e o uso de ferramentas de bioinformática

Atila Iamarino [email protected]

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

Page 2: Filogenia evolucao 2012

O que é evolução molecular

Integração entre biologia molecular, biologia

evolutiva e genética de populações

Page 3: Filogenia evolucao 2012

Resumo

Evolução

Mecanismos Evolutivos

Mutação

Migração

Recombinação

Deriva Genética

Seleção Natural

Evolução viral Vírus de dsDNA: grandes genomas e grandes possibilidades

Vírus de RNA: pequenos e furiosos

Evolução do hospedeiro

Ferramentas de estudo

Page 4: Filogenia evolucao 2012

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

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Conceito:

Variação na frequência alélica entre uma

geração e outra

Geração 1 Geração 2 Geração 3 Geração 4

O que é evolução

Page 6: Filogenia evolucao 2012

Geração 1 Geração 2 Geração 3 Geração 4

Mutação

Mecanismos evolutivos: Mutação

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Geração 1 Geração 2 Geração 3 Geração 4

População 1

População 2

Mecanismos evolutivos: Migração

Page 8: Filogenia evolucao 2012

Mecanismos evolutivos: Recombinação

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

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Tempo para fixação ~4N gerações

Origem do alelo (1ª geração)

Mecanismos evolutivos: Deriva

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Mecanismos evolutivos: Deriva

População parental

Gargalo (redução drástica na população)

Sobreviventes

Próxima geração

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• 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

Page 12: Filogenia evolucao 2012

Mecanismos evolutivos: Seleção

Fenótipo

Fitness

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• 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

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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

Evolução viral: 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

Page 15: Filogenia evolucao 2012

Vírus de dsDNA: grandes genomas e grandes possibilidades

Markine-Goriaynoff, N., Georgin, J.-P., Goltz, M., Zimmermann, W., Broll, H., Wamwayi, H. M., Pastoret, P.-P., et al. (2003). The Core 2 β-1,6-N-Acetylglucosaminyltransferase-Mucin Encoded by Bovine Herpesvirus 4 Was Acquired from an Ancestor of the African Buffalo. Journal of Virology, 77(3), 1784-1792. doi:10.1128/JVI.77.3.1784-1792.2003

Imunomoduladores Enzimas chave de vias metabólicas Capacidade de permutar e evoluir genes capturados gene Bo17 de BoHV-4 20 a 30 vezes mais rápido

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Vírus de dsDNA: grandes genomas e grandes possibilidades

Hoover, K., Grove, M., Gardner, M., Hughes, D. P., McNeil, J., & Slavicek, J. (2011). A gene for an extended phenotype. Science, 333(6048), 1401. doi:10.1126/science.1209199

EGT - ecdisona

Page 17: Filogenia evolucao 2012

Vírus de RNA: pequenos e furiosos

Trkola, A., Kuhmann, S. E., Strizki, J. M., Maxwell, E., Ketas, T., Morgan, T., Pugach, P., et al. (2002). HIV-1 escape from a small molecule, CCR5-specific entry inhibitor does not involve CXCR4 use. PNAS, 99(1), 395-400. doi:10.1073/pnas.012519099

HIV: Genoma de 9,8 kb ~10-3 substituições/sítio/replicação ~ 1 mutações por genoma, por replicação ~10-10 partículas por dia AD101, CCR5 e CXCR4

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Sironen et al. (2001):

Taxa de substituição ~1x10-7!!

Vírus de RNA: pequenos e furiosos

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.

Page 19: Filogenia evolucao 2012

Sironen et al. (2001):

Taxa de substituição ~1x10-7!!

Vírus de RNA: pequenos e furiosos

Belyi, V. a, Levine, A.J. & Skalka, A.M., 2010. Unexpected inheritance: multiple integrations of ancient bornavirus and ebolavirus/marburgvirus sequences in vertebrate genomes. PLoS pathogens, 6(7), p.e1001030.

Icosaedro: bornavirus

Triângulo: filovirus

Page 20: Filogenia evolucao 2012

Evolução viral: Resumo

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

Page 21: Filogenia evolucao 2012

Evolução do Hospedeiro: Imunidade inata

Meyerson, N. R., & Sawyer, S. L. (2011). Two-stepping through time: mammals and viruses. Trends in microbiology, 19(6), 286-94. Elsevier Ltd. doi:10.1016/j.tim.2011.03.006

Page 22: Filogenia evolucao 2012

Evolução do Hospedeiro: Sincitina

Lee YN, Bieniasz PD (2007) Reconstitution of an Infectious Human Endogenous Retrovirus. PLoS Pathog 3(1): e10. doi:10.1371/journal.ppat.0030010 Mi, S., Lee, X., Li, X.-ping, Veldman, G. M., Finnerty, H., Racie, L., Lavallie, E., et al. (2000). Syncytin is a captive retroviral envelope protein involved. Nature, 403(February), 785-789.

HERVs formam 8% do genoma

Placenta

Fusogênica e imunossupressora

Page 23: Filogenia evolucao 2012

Manduca sexta+ Cotesia congregata + Polydnavirus

Bézier, A., Annaheim, M., Herbinière, J., Wetterwald, C., Gyapay, G., Bernard-Samain, S., Wincker, P., et al. (2009). Polydnaviruses of braconid wasps derive from an ancestral nudivirus. Science .323(5916), 926-30. doi:10.1126/science.1166788 Burke, G.R. and Strand, M.R. (2012). Deep Sequencing Identifies Viral and Wasp Genes with Potential Roles in Replication of Microplitis demolitor Bracovirus. J. Virol. 86:3293-3306 doi:10.1128/JVI.06434-11

Evolução do Hospedeiro: Vespas parasitóides

Ichneumonidae – Ichnovírus Braconidae – Bracovírus

Page 24: Filogenia evolucao 2012

Sironen et al. (2001):

Taxa de substituição ~1x10-7!!

Evolução do Hospedeiro: Cianófagos e fotossistemas

Mann, N. H., Cook, A., Millard, A., Bailey, S. &Clokie, M. Bacterial photosynthesis genes in a virus. Nature 424, 741 (2003). Sharon, I., Alperovitch, A., Rohwer, F., Haynes, M., Glaser, F., Atamna-Ismaeel, N., Pinter, R. Y., et al. (2009). Photosystem I gene cassettes are present in marine virus genomes. Nature, 461(7261), 258-62. doi:10.1038/nature08284 Rohwer, F., & Thurber, R. V. (2009). Viruses manipulate the marine environment. Nature, 459(7244), 207-12. doi:10.1038/nature08060

Fagos de Prochlorococcus e Synechococcus Fotossistemas turbinados psbA - 60% pertencem a fagos ~10% da fotossíntese

Page 25: Filogenia evolucao 2012

Sironen et al. (2001):

Taxa de substituição ~1x10-7!!

Mimivírus e a origem...

La Scola, B., Audic, S., Robert, C., Jungang, L., Lamballerie, X. de, Drancourt, M., et al. (2003). A giant virus in amoebae. Science, 299(5615), 2033 La Scola, B., Desnues, C., Pagnier, I., Robert, C., Barrassi, L., Fournous, G., et al. (2008). The virophage as a unique parasite of the giant mimivirus. Nature, 455(7209), 100-4. doi: 10.1038/nature07218.

600 nm

Legionella sp. sem 16S 1,2 Mb RNAt: ArgRS, CysRS, MetRS e TyrRS 4º Domínio da vida?

Mamavírus

Sputnik

Page 26: Filogenia evolucao 2012

Raoult, D. et al. (2004). The 1.2-megabase genome sequence of Mimivirus. Science 306, 1344–1350. Moreira, D., & López-García, P. (2009). Ten reasons to exclude viruses from the tree of life. Nature reviews. Microbiology, 7(4), 306-11 Hegde, N. R., Maddur, M. S., Kaveri, S. V., & Bayry, J. (2009). Reasons to include viruses in the tree of life. Nature reviews. Microbiology, 7(8), 615 Navas-Castillo, J. (2009). Six comments on the ten reasons for the demotion of viruses. Nature reviews. Microbiology, 7(8), 615 Claverie, J.-M., & Ogata, H. (2009). Ten good reasons not to exclude giruses from the evolutionary picture. Nature reviews. Microbiology, 7(8), 615 Ludmir, E. B., & Enquist, L. W. (2009). Viral genomes are part of the phylogenetic tree of life. Nature reviews. Microbiology, 7(8), 615 Koonin, E. V., Senkevich, T. G., & Dolja, V. V. (2009). Compelling reasons why viruses are relevant for the origin of cells. Nature reviews. Microbiology, 7(8), 615 López-García, P., & Moreira, D. (2009). Yet viruses cannot be included in the tree of life. Nature Reviews Microbiology, 7(8), 615-617. Raoult, D. (2009). There is no such thing as a tree of life (and of course viruses are out!). Nature reviews. Microbiology, 7(8), 615

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Sironen et al. (2001):

Taxa de substituição ~1x10-7!!

Mimivírus e a origem...

Yau, S., Lauro, F. M., DeMaere, M. Z., Brown, M. V., Thomas, T., Raftery, M. J., Andrews-Pfannkoch, C., et al. (2011). Virophage control of antarctic algal host-virus dynamics. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108(15), 6163-8. doi:10.1073/pnas.1018221108La Scola, B., Fischer, M. G., & Suttle, C. a. (2011). A virophage at the origin of large DNA transposons. Science (New York, N.Y.), 332(6026), 231-4. doi:10.1126/science.1199412

Cafeteria roenbergensis virus - CroV 730 kb Mavirus ~ transposons Maverick polimerase integrase organização genômica Demais genes parecidos com Sputnik

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Sironen et al. (2001):

Taxa de substituição ~1x10-7!!

Mimivírus e a origem...

Arslan, D., Legendre, M., Seltzer, V., Abergel, C., & Claverie, J.-M. (2011). Distant Mimivirus relative with a larger genome highlights the fundamental features of Megaviridae. Proceedings of the National Academy of Sciences, 108(42). doi:10.1073/pnas.1110889108

Megavirus chilensis 1,26 Mb 594 genes compartilhados 50% de resíduos idênticos RNAt ArgRS, CysRS, MetRS e TyrRS + IleRS, TrpRS, e AsnRS

Page 29: Filogenia evolucao 2012

Sironen et al. (2001):

Taxa de substituição ~1x10-7!!

Ferramentas

Page 30: Filogenia evolucao 2012

Evolução viral como marcador

Biek, R., Drummond, A. J., & Poss, M. (2006). A virus reveals population structure and recent demographic history of its carnivore host. Science, 311(5760), 538-41. doi:10.1126/science.1121360 Treicker DG, Lemey P, Velasco-Villa A, Rupprecht CE (2012) Rates of Viral Evolution Are Linked to Host Geography in Bat Rabies. PLoS Pathog 8(5): e1002720. doi:10.1371/journal.ppat.1002720

Page 31: Filogenia evolucao 2012

Filogenias

Shackelton, L. a, & Holmes, E. C. (2004). The evolution of large DNA viruses: combining genomic information of viruses and their hosts. Trends in microbiology, 12(10), 458-65. doi:10.1016/j.tim.2004.08.005

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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.

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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.

Page 34: Filogenia evolucao 2012

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

Page 35: Filogenia evolucao 2012
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Coalescência

Atualmente

Most Recent Common Ancestor (MRCA)

De volta ao MRCA

Coalescência

Page 37: Filogenia evolucao 2012

Coalescência

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.

Page 38: Filogenia evolucao 2012

Coalescência

Gimenes, M. V., Zanotto, P. M. D. a, Suttle, C. a, da Cunha, H. B., & Mehnert, D. U. (2012). Phylodynamics and movement of Phycodnaviruses among aquatic environments. The ISME journal, 6(2), 237-47. doi:10.1038/ismej.2011.93

Page 39: Filogenia evolucao 2012

Para Mais

Not Exactly Rocket Science http://blogs.discovermagazine.com/notrocketscience The Loom http://blogs.discovermagazine.com/loom/ Small Things Considered http://schaechter.asmblog.org/ ERV http://scienceblogs.com/erv/ This Week in Virology http://www.twiv.tv/