Simulación computacional de la evolución de una población de rotavirus SA11 sometida a mutaciones puntuales y recombinación bajo sucesivos cuellos de botella genéticos

Abstract

En nuestro planeta no existen formas de vida mas aventajadas y mejor diseñadas para adaptarse y evolucionar rápidamente como las poblaciones de virus RNA, nínguna población esta mejor preparada para adaptarse a un sinnúmero de presiones selectivas; su gran abundancia y diversidad, altas tasas de mutación, altas frecuencias de mutación y recombinación, asi como sus altas frecuencias de rearreglos en el caso de genomas segmentados como los Rotavirus que son capaces de llevar segmentos de diferentes linajes parentales a las siguientes generaciones, esto les permite saltar fácilmente entre diferentes tejidos en el huésped o entre diferentes especies-hospedero. Los virus RNA tienen una sorprendentemente alta eficiencia reproductiva manifestada en tiempos cortos de replicación, grandes tamaños poblacionales, y transmisión altamente efectiva. Finalmente su caracteristica mas avanzada, el control de la coevolución biosfera-virosfera través de la dispersion y colonización entre todos los ecosistemas genéticos. Son demasiadas ventajas adaptativas las que facilitan el enfrentamiento de un sin fin de cambios en entorno para evadir presiones selectivas que afectan la eficacia biológica de las poblaciones de virus RNA, tales como la respuesta inmune, anticuerpos, antivirales y eventuales cambios de hospedero. Los virus RNA son capaces de resistir la extinción a través de cambios de tropismo celular para adaptarse dentro del huésped o saltar entre especies hospedero para diversificarse.

Se seleccionó el Rotavirus SA11 para simular evolución porque se conocen nucleótidos y péptidos implicados en la eficacia biológica replicativa, este es capas de llevar segmentos de diferentes linajes parentales a las siguientes generaciones, facilita el estudio de la recombinación, es comunmente utilizado como modelo en estudios del ciclo celular y su genoma está completamente secuenciado.

Problema

Los Rotavirus son causantes de gastroenteritis en aves y mamíferos y cerca de 500000 muertes de niños alrededor del mundo. Los Rotavirus de dsRNA, 11 segmentos, y no envueltos, son una población altamente diversa en continuo cambio antigénico y genético.

Algunas proteínas estructurales son altamente variables , VP7 (tipo G) y VP4 (tipo P) causantes de cambios adaptativos en las propiedades antigénicas de los tipos G y P y tal vez sean la diana de futuras vacunas. Por su parte algunas proteínas no estructurales tales como VP1 y VP2 son altamente conservadas, razón por la cual aqui se propone VP1 (RNA polimerasa) y VP2 (core) como las principales implicadas en el cambio evolutivo.

Poco es sabido acerca de los mecanismos por los cuales los tipos salvajes de Rotavirus pueden evolucionar influenciados por la recombinación. Aquí se programó y testeo un algoritmo en PERL para simular evolución de virus por mutaciones puntuales y recombinación con criterios de selección implicados en la replicación. DOTHEVOLUTIONVIRUS es una herramienta para simular evolución de virus en una epidemia tisular célula a célula. Poco es sabido acerca de los efectos de la recombinación y de algoritmos evolutivos que puedan ser capaces de representar la dinámica de la evolución de virus y predecir la diversificación de variantes en una epidemia tisular. Espero encontrar diferencias significativas entre los efectos de la mutación puntual y la mutación puntual y recombinación simultánea con el fin de evaluar DOTHEVOLUTIONVIRUS

Métodos

El lenguaje PERL (Practical Extracting and Reporting Languages) fue la mejor opción para extraer información, reportar y trabajar con archivos grandes y en formato .fasta compatible con el Gene Data Bank. DOTHEVOLUTIONVIRUS fue escrito en PERL; se crearon diferentes módulos: initiate population para establecer el tamaño de la población por generación (cuello de botella), mutate.pl para copiar con error a una tasa de mutación definida, find.pl para encontrar nucleótidos o péptidos implicados en la replicación, reproduce.pl para establecer la multiplicidad de infeccion (m.o.i), el número de partículas que originan la nueva población por generación, compare.pl para comparar el porcentaje de similitud respecto a la secuencia original, evaluate.pl para evaluar la presencia de las secuencias implicadas en la repliciación, consensus.pl para determinar la secuencia promedio de cada población y recombinación.pl para realizar una recombinación aleatoria homóloga o heteróloga de VP1 y VP2. La población resultante de la corrida de DOTHEVOLUTIONVIRUS por generacion esta sometida al efecto de la deriva genética y a sucesivos cuellos de botella genéticos célula a célula. Se pretende evidenciar diferencias significativas entre el efecto de las mutaciones puntuales y las mutaciones puntuales y recombinación simultánea en la eficacia biologica relativa por generación basado en la dinámica de cuasiespecies y principios de biologia evolutiva y evidenciados en el paisaje adaptativo de un pico.

Se calculó la eficacia biológica relativa según Chao 1990 y Holland 1991 y se representó en un paisaje adaptativo de un pico. Los criterios de selección fueron 95% de homologia respecto a la secuencia original y la presencia de nucleótidos y peptidos altamente conservados implicados en la replicacion del virus, para VP1 ugugacc y GDD y para VP2 YGYGYYGYG.

Resultados y Discusión

DOTHEVOLUTIONVIRUS simula la evolución de virus RNA bajo presiones selectivas de replicación, recibe como parametros de entrada, tasa de mutación, tamaño de la población, número de generaciones (cuellos de botella) y multiplicidad de infección (m.o.i). La herramienta procesa los parametros de entrada y después de correrla DOTHEVOLUTIONVIRUS extrae y reporta los datos de salida: tasa de mutación acumulada por generación, porcentaje de diferencias respecto a la secuencia consenso, porcentaje de diferencias respecto al tipo salvaje o secuencia original. DOTHEVOLUTIONVIRUS almacena la información por generación y puede representar la historia evolutiva de la eficacia biológica relativa de poblaciones de virus sometidos al mismo criterio de seleccion en un paisaje adaptativo de un pico.

DOTHEVOLUTIONVIRUS muestra la evolución de poblaciones de virus bajo presiones de selección de replicación evidenciando diferencias significativas entre las poblaciones sometidas a mutación puntual y a mutación puntual y recombinacion simultánea que fueron seleccionadas por la presencia de núcleotidos y péptidos altamente conservados en VP1 y VP2 implicados en la replicación de Rotavirus SA11.

DOTHEVOLUTIONVIRUS sugieren que i. la perdida de eficacia biológica es causada por el efecto del trinquete de Muller, es decir la acumulación de mutaciones puntuales deletéreas bajo sucesivos cuellos de botella, ii. la corrección de los errores de copia, es probablemente causada por la recombinación homóloga denso-dependiente (m.o.i dependiente), iii. se observan eventos exporádicos de extinción y iv. la tendencia de la eficacia biológica a oscilar y/o disminuir con el transcurso de los cuellos de botella aproximandose a 1. v. en algunos paisajes adaptativos se observan periodos de estabilidad y cambios abruptos típicos de la teoría de los equilibrios puntuados.

Conclusión

Si una población pequeña de virus (1 a 200 m.o.i) es seleccionada de su población original y se encuentra adaptada a alguna presión selectiva por efecto del azar, esta pequeña población determinará la genética de poblaciones de las siguientes generaciones (efecto fundador). La gran reducción del tamaño de la población causado por el cuello de botella genético, bajo efecto de la selección disminuye la variabilidad genética de la población original y crea nuevas variantes y taxas virales por el efecto Wrigtht o deriva genética, mutación y recombinación, dicha reducción cambia aleatoriamente la frecuencia de los genes en el tiempo.

DOTHEVOLUTIONVIRUS es una herramienta fiable para simular los cambios en la dinámica adaptativa y diversidad de una población de virus (Rotavirus SA11) sometida a sucesivos cuellos de botella bajo los mismos criterios de selección en el transcurso de una epidemia celular; DOTHEVOLUTIONVIRUS facilitaría estudios filodinámicos que nos permitan entender los cambios genéticos y antigénicos que ocurren durante la diseminación del virus en una epidemia celular tales como cambios de tropismos celulares, orígenes de variantes y emergencias y reeemergencias de nuevos taxas.