Aplicaciones en epidemiología del análisis filogenético Santiago de Compostela, 12 Julio 2005 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
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 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
Categorías filodinámicas (II) Topologías
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 Hospedadores y parásitos La comparación de las filogenias de hospedadores de hospedadores y parásitos nos puede indicar codivergencia (c) o dispersión (d)
Reloj molecular LRT = 2 ( L sin reloj - L reloj ) g.l. = n-2 Estimas tasas de evolución y tiempos de divergencia Estimas Comparación de modelos de evolución B A O Tiempo T A T B tasa de evolución = d AO! d BO T A! T B
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 Selección en HIV-1 env 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.073 HXB2 0.072 0.0673273 0 U69587SA85 0.016 0.027 0.0085 U69588SA85 0.016 env 0 U69585SA85 0 0 2.2 0.015 0.0083 0.039 0.036 0.035 U69591SA90 0.047 0.017 U69589SA90 0.042 0.01 0.021 0.014 0.052 0.032 0.065 1.1 U69586SA85 0.025 1.3 1.5 0.041 U69584SA85 0.036 0.026 U69593SA90 0.017 1.3 U69590SA90 0.023 U69592SA90 0.016 dn/ds
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 Predicción de la evolución (II) Acumulación constante de substituciones Reemplazo de linajes Las substituciones en linajes supervivientes suelen producirse en sitios antigénicos
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 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
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 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
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. Origen del HIV-1 (III) Mediante análisis filogenético, se estima que el grupo M del HIV-1 se originó cerca de 1930.
a: origen único de la epidemia o transmisión entre pacientes 1-3 b: hipótesis alternativa para el paciente 1 Transmisión Muestras problema: 1-3 Muestras control: 4-7 Muestras de la población: 8-9 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
Resistencia a medicamentos Aunque la carga viral del HIV-1 sea indetectable, su evolución prosigue RED FILOGENÉTICA 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)
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) 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
http://atgc.lirmm.fr/phyml/ Phyml Inferencia rápida de árboles de máxima verosimilitud TipDate http://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 reloj molecular (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