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/
O que é evolução molecular
Integração entre biologia molecular, biologia
evolutiva e genética de populações
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
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
Conceito:
Variação na frequência alélica entre uma
geração e outra
Geração 1 Geração 2 Geração 3 Geração 4
O que é evolução
Geração 1 Geração 2 Geração 3 Geração 4
Mutação
Mecanismos evolutivos: Mutação
Geração 1 Geração 2 Geração 3 Geração 4
População 1
População 2
Mecanismos evolutivos: Migração
Mecanismos evolutivos: Recombinação
Simon-Loriere, E., & Holmes, E. C. (2011). Why do RNA viruses recombine? Nature reviews. Microbiology, 9(8), 617-626.
Tempo para fixação ~4N gerações
Origem do alelo (1ª geração)
Mecanismos evolutivos: Deriva
Mecanismos evolutivos: Deriva
População parental
Gargalo (redução drástica na população)
Sobreviventes
Próxima geração
• 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
Mecanismos evolutivos: Seleção
Fenótipo
Fitness
• 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
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
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
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
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
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Sironen et al. (2001):
Taxa de substituição ~1x10-7!!
Ferramentas
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
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
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.
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.
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
Coalescência
Atualmente
Most Recent Common Ancestor (MRCA)
De volta ao MRCA
Coalescência
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.
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
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/