O documento discute a evolução viral e o uso de ferramentas de bioinformática. Ele aborda tópicos como a integração entre biologia molecular, biologia evolutiva e genética de populações no estudo da evolução, mecanismos evolutivos como mutação, migração e recombinação, a alta taxa de evolução de vírus de RNA, a evolução do hospedeiro em resposta aos vírus, e o uso de ferramentas de bioinformática para analisar a evolução viral.

1. Evolução viral e o uso de ferramentas
de bioinformática
atila@usp.br
Atila Iamarino http://scienceblogs.com.br/rainha/

2. O que é evolução molecular
Integração entre biologia molecular, biologia
evolutiva e genética de populações

3. 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

4. A informação está contida no DNA/RNA
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

5. O que é evolução
Conceito:
Variação na frequência alélica entre uma
geração e outra
Geração 1 Geração 2 Geração 3 Geração 4

6. Mecanismos evolutivos: Mutação
Geração 1 Geração 2 Geração 3 Geração 4
Mutação

7. Mecanismos evolutivos: Migração
População 1
População 2
Geração 1 Geração 2 Geração 3 Geração 4

8. Mecanismos evolutivos: Recombinação
Simon-Loriere, E., & Holmes, E. C. (2011). Why
do RNA viruses recombine? Nature reviews.
Microbiology, 9(8), 617-626.

9. Mecanismos evolutivos: Deriva
Origem do alelo Tempo para fixação
(1ª geração) ~4N gerações

10. Mecanismos evolutivos: Deriva
População Gargalo (redução Sobreviventes Próxima
parental drástica na geração
população)

11. Mecanismos evolutivos: Seleção
• 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.

12. Mecanismos evolutivos: Seleção
Fitness
Fenótipo

13. Mecanismos evolutivos: Seleção Positiva
• 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

14. Evolução viral: Taxa de mutação
Taxa de mutação (mutações/sítio/replicação)
Taxa de substituição (mutações/sítio/ano)
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
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

15. Vírus de dsDNA: grandes genomas e grandes
possibilidades
Imunomoduladores
Enzimas chave de vias metabólicas
Capacidade de permutar e evoluir
genes capturados
gene Bo17 de BoHV-4
20 a 30 vezes mais rápido
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

16. Vírus de dsDNA: grandes genomas e grandes
possibilidades
EGT - ecdisona
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

17. Vírus de RNA: pequenos e furiosos
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
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

18. Vírus de RNA: pequenos e furiosos
Sironen et al. (2001):
Taxa de substituição ~1x10-7!!
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.

19. Vírus de RNA: pequenos e furiosos
Icosaedro: bornavirus
Triângulo: filovirus
Sironen et al. (2001):
Taxa de substituição ~1x10-7!!
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.

20. 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

21. 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

22. Evolução do Hospedeiro: Sincitina
HERVs formam 8% do genoma
Placenta
Fusogênica e imunossupressora
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.

23. Evolução do Hospedeiro: Vespas parasitóides
Ichneumonidae – Ichnovírus
Braconidae – Bracovírus
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

24. Evolução do Hospedeiro: Cianófagos e
fotossistemas
Fagos de Prochlorococcus e Synechococcus
Fotossistemas turbinados
psbA - 60% pertencem a fagos
~10% da fotossíntese
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
Sironen et al. (2001):
marine virus genomes. Nature, 461(7261), 258-62.
doi:10.1038/nature08284 Taxa de substituição ~1x10-7!!
Rohwer, F., & Thurber, R. V. (2009). Viruses manipulate
the marine environment. Nature, 459(7244), 207-12.
doi:10.1038/nature08060

25. Mimivírus e a origem...
600 nm
Mamavírus
Legionella sp. sem 16S
1,2 Mb
RNAt:
ArgRS, CysRS, MetRS e TyrRS
4º Domínio da vida? Sputnik
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 et al. (2001):
Sironen
Taxa de substituição ~1x10-7!!
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.

26. 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

27. Mimivírus e a origem...
Cafeteria roenbergensis virus - CroV
730 kb
Mavirus ~ transposons Maverick
polimerase
integrase
organização genômica
Demais genes parecidos com Sputnik
Yau, S., Lauro, F. M., DeMaere, M. Z., Brown, M. V., Thomas, T., Raftery, M. J., Andrews-Pfannkoch, C., et al.
Sironen et al. (2001):
(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.,
Taxa de substituição ~1x10-7!!
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

28. Mimivírus e a origem...
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!!
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

29. Ferramentas
Sironen et al. (2001):
Taxa de substituição ~1x10-7!!

30. 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

31. 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

32. Filogenias contém história
Imunidade cruzada efetiva
Sironen et al. (2001):
Taxa de substituição ~1x10-7!!
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.

33. Filogenias contém história
Imunidade cruzada parcial
Sironen et al. (2001):
Taxa de substituição ~1x10-7!!
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.

34. Filogenias contém história
Sem imunidade cruzada
Sironen et al. (2001):
Taxa de substituição ~1x10-7!!
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.

36. Coalescência
Atualmente
Coalescência
De volta ao MRCA
Most Recent Common Ancestor
(MRCA)

37. 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.

38. 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

39. 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/