Aplicaciones en epidemiolog a del an lisis filogen...

David PosadaUniversidad de Vigo

Aplicaciones en epidemiologíaAplicaciones en epidemiología

del análisis filogenéticodel análisis filogenético

David Posada

Universidad de Vigo

Santiago de Compostela, 12 Julio 2005


Epidemiología

• La epidemiología estudia el origen, distribución,frecuencia, determinantes, relaciones, prediccionesy 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


Filodinámica

• La filodinámica estudia la interacción de lainmunodinámica, la epidemiología y la biologíaevolutiva

• La conexión entre procesos epidémicos y laevolución 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


Categorías filodinámicas (I)

• Infecciones cortas con fuerte repuesta inmunecruzada (p.e., sarampión) - filogenia homogéneadeterminada por patrones espacio-temporales

• Infecciones cortas con débil repuesta inmune(p.e., gripe) - filogenia temporal determinada porselección

• Potenciación inmune (p.e., dengue) - filogenia muyestructurada

• Infecciones persistentes (p.e., HIV, HCV) -filogenia poblacional espacial, filogeniaintrapoblacional determinada por selección


Categorías filodinámicas (II)


Topologías


Demografía: skyline plots

• Utiliza la información de laslongitudes de rama

• Transforma la filogenia enla trayectoria del tamañoefectivo a lo largo deltiempo

• Programa GENIE


Hospedadores y parásitos

• La comparación de las filogenias de hospedadoresde hospedadores y parásitos nos puede indicarcodivergencia (c) o dispersión (d)


Reloj molecular

LRT = 2 ( Lsin reloj - Lreloj )g.l. = n-2


Estimas tasas de evolución y

tiempos de divergencia

• Estimas

• Comparación de modelos de evolución

tasa de evolución = d

AO! d

BO

TA! T

B

A

B

O

TiempoTA TB


Selección

• La selección natural puede dejar huella enlas 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 lasramas de una filogenia


Selección en HIV-1 env

dN/dS

U69592SA90

U69584SA85

U69590SA90

U69593SA90

U69586SA85

U69589SA90

U69591SA90

U69585SA85

U69588SA85

U69587SA85

HXB2

0

0.01

0.041

0.032

0.023

0.026

0.015

0.014

0.039

0.017

0.035

0.016

0.0085

0.073

0

0.021

0.036

0.065

0.016

0.025

0.017

0.0083

0.052

0.036

0.042

0.047

0.027

0

0.016

0

0.072

0.06732730.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

env

2.2

1.1

1.3

1.5

1.3


Predicción de la evolución (I)

• Virus de la gripe (influenza A); 8 fragmentosde RNA que codifican 10 proteínas

• Gen de la hemaglutinina

• Muestras de 1968 a 1987


Predicción de la evolución (II)

• Acumulaciónconstante desubstituciones

• Reemplazo de linajes

• Las substituciones enlinajes supervivientessuelen producirse ensitios antigénicos


Predicción de la evolución (III)

• Muestras 1985-1996• 18 codones

selectivos (dN/dS >1) en sitiosantigénicos de lahemaglutinina

• Predicen el linajeancestral de futuroslinajes ! cepacirculante de la gripepara el desarrollo devacunas efectivas


Pandemia de la gripe (I)

• La hemaglutinina (H)ha de cambiarradicalmente paraproducir una pandemia

• Neuroaminidasa (N)

• Las filogenias denucleoproteínasimplican que las cepasde la gripe puedenintercambiar genes


Pandemia de la gripe (II)

• Antes de la pandemia de 1968, el virus de la gripehumana no poseía H3

• Las filogenias de hemaglutininas implican que lapandemia de 1968 adquirió la H3 de aves


Origen del HIV-1 (I)

• La teoría OPV propone que el HIV-1 seoriginó a partir de vacunas contra la poliopreparadas con chimpancés de Kinsiganicon SIVcpz


Origen del HIV-1 (II)

• El análisis filogenético desmiente la teoría OPV

• Además indica el origen múltiple del HIV-1 a partirde SIVcpz del África central-oriental.


Origen del HIV-1 (III)

• Mediante análisis filogenético, se estima queel grupo M del HIV-1 se originó cerca de 1930.


Transmisión

• a: origen único de laepidemia o transmisiónentre pacientes 1-3

• b: hipótesis alternativapara el paciente 1

Muestras problema: 1-3Muestras control: 4-7

Muestras de la población: 8-9


Transmisión del HIV-1

• Las filogenias nosproporcionaninformación sobre lasecuencia detransmisión

• A día de hoy losárboles filogenéticospueden ser admitidoscomo pruebas enjuicios criminales


Resistencia a medicamentos

• Aunque la cargaviral del HIV-1 seaindetectable, suevolución prosigue

RED FILOGENÉTICA


Implementación bioinformática

• Demografía: Genie 3.0

• Tasas de evolución y tiempos dedivergencia: TipDate

• Redes filogenéticas: TCS

Alineamientos (Clustal), Selección de modelos (Modeltest),Estimación filogenética (PAUP*, Phyml)


Pasos análisis tasas y edades

• Alineamiento de secuencias de ADN(Clustal)

• Selección de modelo de substituciónnucleotídica (PAUP* + Modeltest)

• Estimación de un árbol de máximaverosimilitud (Phyml)

• Estimación de la tasa de evolución y de lasedades (TipDate)


Clustal X

• http://bips.u-strasbg.fr/fr/Documentation/ClustalX/

• Es uno de los programas de alineamiento más utilizados


PAUP*

• http://paup.csit.fsu.edu/• Programa general de inferencia filogenética


Modeltest• http://darwin.uvigo.es/software/modeltest.html

• Selección de modelos de substitución nucleotídica


Phyml• http://atgc.lirmm.fr/phyml/

• Inferencia rápida de árboles de máxima verosimilitud


TipDatehttp://evolve.zoo.ox.ac.uk/software.html?id=tipdate


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 relojmolecular (TipDate)

• Estimación de parámetros demográficos (Genie)


Genie• http://evolve.zoo.ox.ac.uk/software.html?id=genie• Asume que las longitudes de rama del árbol son

proporcionales al tiempo


Pasos análisis redes

filogenéticas

• Alineamiento de secuencias de ADN(Clustal)

• Estimación de red filogenética (TCS)


TCS

• http://darwin.uvigo.es/software/tcs.html

• Construcción de redes filogenéticas

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