1 Aplicaciones en epidemiología del análisis filogenético Santiago de Compostela, 12 Julio 2005 Epi...
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Aplicaciones en epidemiología del análisis filogenético David Posada Universidad de Vigo Santiago de Compostela, 12 Julio 2005
David Posada Universidad de Vigo
Epidemiología • La epidemiología estudia el origen, distribución, frecuencia, determinantes, relaciones, predicciones y control de enfermedades – Epidemia: enfermedad ampliamente extendida que afecta a muchos individuos en una población – Pandemia: epidemia de carácter mundial – Endemia: enfermedad geográficamente restringida que afecta a pocos individuos en una población
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Filodinámica • La filodinámica estudia la interacción de la inmunodinámica, la epidemiología y la biología evolutiva • La conexión entre procesos epidémicos y la evolución de los patógenos es central para: – Entender la evolución de la resistencia a medicamentos o de la virulencia – Diseño de vacunas – Aparición de nuevas enfermedades
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Categorías filodinámicas (I) • Infecciones cortas con fuerte repuesta inmune cruzada (p.e., sarampión) - filogenia homogénea determinada por patrones espacio-temporales • Infecciones cortas con débil repuesta inmune (p.e., gripe) - filogenia temporal determinada por selección • Potenciación inmune (p.e., dengue) - filogenia muy estructurada • Infecciones persistentes (p.e., HIV, HCV) filogenia poblacional espacial, filogenia intrapoblacional determinada por selección
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Categorías filodinámicas (II)
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Topologías
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Demografía: skyline plots • •
•
Utiliza la información de las longitudes de rama Transforma la filogenia en la trayectoria del tamaño efectivo a lo largo del tiempo Programa GENIE
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Hospedadores y parásitos • La comparación de las filogenias de hospedadores de hospedadores y parásitos nos puede indicar codivergencia (c) o dispersión (d)
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Reloj molecular
LRT = 2 ( Lsin reloj - Lreloj ) g.l. = n-2
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Estimas tasas de evolución y tiempos de divergencia • Estimas • Comparación de modelos de evolución A B O Tiempo
TA
tasa de evolución =
TB
dAO ! dBO TA ! TB David Posada Universidad de Vigo
Selección • La selección natural puede dejar huella en las secuencias de ADN • Un parámetro clave es la tasa dN/dS – dN/dS = 0 bajo neutralidad – dN/dS < 1 bajo selección purificadora – dN/dS > 1 bajo selección positiva
• La tasa dN/dS se puede estimar en las ramas de una filogenia
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Selección en HIV-1 env 0 .0 1
0 .0 2
0.073 0.072
0 .0 3
0 .0 4
0 .0 5
0 .0 6
0 .0 6 7 3 2 7 3
HXB2
0
U69587SA85
0.016 0.0085
0.027
U69588SA85
0.016 0
env
U69585SA85
0.035 0 0
2.2
0.039 0.036
0.015
U69591SA90
0.047 0.017
U69589SA90
0.042
0.0083 0.014 0.052
U69586SA85
1.5 0.026 0.017 0.025 0.032 0.065
0.01 0.021
1.1 0.041 0.036
U69593SA90
1.3
U69590SA90
dN/dS
1.3 0.023 0.016
U69592SA90
U69584SA85 David Posada Universidad de Vigo
Predicción de la evolución (I) • Virus de la gripe (influenza A); 8 fragmentos de RNA que codifican 10 proteínas • Gen de la hemaglutinina • Muestras de 1968 a 1987
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Predicción de la evolución (II) • Acumulación constante de substituciones • Reemplazo de linajes • Las substituciones en linajes supervivientes suelen producirse en sitios antigénicos
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Predicción de la evolución (III) • Muestras 1985-1996 • 18 codones selectivos (dN/dS > 1) en sitios antigénicos de la hemaglutinina • Predicen el linaje ancestral de futuros linajes ! cepa circulante de la gripe para el desarrollo de vacunas efectivas
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Pandemia de la gripe (I) • La hemaglutinina (H) ha de cambiar radicalmente para producir una pandemia • Neuroaminidasa (N) • Las filogenias de nucleoproteínas implican que las cepas de la gripe pueden intercambiar genes
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Pandemia de la gripe (II)
• Antes de la pandemia de 1968, el virus de la gripe humana no poseía H3 • Las filogenias de hemaglutininas implican que la pandemia de 1968 adquirió la H3 de aves
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Origen del HIV-1 (I) • La teoría OPV propone que el HIV-1 se originó a partir de vacunas contra la polio preparadas con chimpancés de Kinsigani con SIVcpz
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Origen del HIV-1 (II) • El análisis filogenético desmiente la teoría OPV • Además indica el origen múltiple del HIV-1 a partir de SIVcpz del África central-oriental.
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Origen del HIV-1 (III) • Mediante análisis filogenético, se estima que el grupo M del HIV-1 se originó cerca de 1930.
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Transmisión • a: origen único de la epidemia o transmisión entre pacientes 1-3 • b: hipótesis alternativa para el paciente 1
Muestras problema: 1-3 Muestras control: 4-7 Muestras de la población: 8-9
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Transmisión del HIV-1 • Las filogenias nos proporcionan información sobre la secuencia de transmisión • A día de hoy los árboles filogenéticos pueden ser admitidos como pruebas en juicios criminales
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Resistencia a medicamentos • Aunque la carga viral del HIV-1 sea indetectable, su evolución prosigue RED FILOGENÉTICA
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Implementación bioinformática • Demografía: Genie 3.0 • Tasas de evolución y tiempos de divergencia: TipDate • Redes filogenéticas: TCS Alineamientos (Clustal), Selección de modelos (Modeltest), Estimación filogenética (PAUP*, Phyml)
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Pasos análisis tasas y edades • Alineamiento de secuencias de ADN (Clustal) • Selección de modelo de substitución nucleotídica (PAUP* + Modeltest) • Estimación de un árbol de máxima verosimilitud (Phyml) • Estimación de la tasa de evolución y de las edades (TipDate)
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Clustal X • •
http://bips.u-strasbg.fr/fr/Documentation/ClustalX/ Es uno de los programas de alineamiento más utilizados
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PAUP* • http://paup.csit.fsu.edu/ • Programa general de inferencia filogenética
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Modeltest • •
http://darwin.uvigo.es/software/modeltest.html Selección de modelos de substitución nucleotídica
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Phyml •
http://atgc.lirmm.fr/phyml/
•
Inferencia rápida de árboles de máxima verosimilitud
Pasos análisis demografía • Alineamiento de secuencias de ADN (Clustal) • Selección de modelo de substitución nucleotídica (PAUP* + Modeltest) • Estimación de un árbol de máxima verosimilitud (Phyml) • Estimación de longitudes de rama bajo el reloj molecular (TipDate) • Estimación de parámetros demográficos (Genie)
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Genie • http://evolve.zoo.ox.ac.uk/software.html?id=genie • Asume que las longitudes de rama del árbol son proporcionales al tiempo
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Pasos análisis redes filogenéticas • Alineamiento de secuencias de ADN (Clustal) • Estimación de red filogenética (TCS)
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TCS • http://darwin.uvigo.es/software/tcs.html • Construcción de redes filogenéticas