Análisis filogenético del Virus de Inmunodeficiencia en Humanos

Análisis filogenético del Virus de Inmunodeficiencia en Humanos
(HIV) y en Simios (SIV)
(Retroviridae)
Castellanos, D., Chacón, A., Gómez, N., Sanabria, O.
Resumen
El virus HIV perece tener su origen en África central a partir de infecciones
procedentes de cepas de SIV. El presente trabajo reconstruye la filogenia del virus
a partir del genoma de 38 cepas HIV-1, HIV-2, SIV y FIV, realizando análisis
Bayesiano, Parsimonia y Máxima Verosimilitud (ML) y. Las topologías halladas
sustentan monófila del clado HIV-1, relacionado con el grupo SIVcpzptt, y del
clado HIV-2 relacionado con el grupo SIVsmm. Algunas de las cepas del SIV
revelan tasas significativas de cambio, mostrando una relación no cercana con las
demás cepas del SIV.
Introducción
El HIV y SIV pertenecen a los lentivirus de la familia Retroviridae, que se caracteriza por
codificar una polimerasa llamada transcriptasa inversa; el HIV es uno de los agentes
patógenos con mayor tasa de variabilidad genética y con una alta capacidad de
adaptación en su hospedero humano [1], esta diversidad se refleja en la existencia de
diferentes grupos M, N y O [2], y hasta 32 especies recombinantes [3], cada uno de los
cuales parece haber surgido de manera independiente en África central a partir de
infecciones procedentes de cepas de SIV[4].
Se puede decir que el HIV es una de las entidades biológicas mejor estudiadas, lo que no
implica, que todas las preguntas sobre su origen y evolución hayan sido resueltas en
forma satisfactoria [5]. Este estudio pretende evaluar si SIV y HIV son grupos hermanos y
las relaciones internas de los mismos utilizando datos moleculares.
Metodología
El análisis filogenético se realizó a partir de genomas completos de 35 cepas HIV-1, HIV2, SIV y tres taxas outgropus, las secuencias y los números de accesión se descargaron
del GenBank (Tabla 1). Se aplicó un análisis de sensibilidad de las secuencia
nucleotidicas con POY5 [6], para tres sets de costos diferentes (costo 1 = ts1tv1g1; costo 2
= ts1tv2g2, costo 3 = ts1tv2g4) y se determinó cual se ajustaba mejor a los datos según
las tasas asignadas a transición, transversión y gaps. A continuación se seleccionó el
costo más adecuado utilizando el índice de congruencia de Farris [7], posteriormente se
realizó un análisis de parsimonia con TNT 1.1 [8], con un hold de 10000 y boostrap de 100.
Adicionalmente se realizó el alineamiento de los datos moleculares con el programa
SeaView 4 (opción Muscle) [9]; se determinó el modelo evolutivo para cada gen (gag, pol,
vif, vpx, vpr, env, nef) y para el genoma completo mediante jModelTest 3.7 [10] bajo el
criterio de Akaike (AIC). A continuación se realizó el análisis de Máxima Verosimilitud (ML)
para el genoma, con una estrategia de búsqueda de la topología basada en algoritmos
NNI y SPR, utilizando PhyML 3.0 [11]. El análisis Bayesiano fue realizado usando MrBayes
3.1.2, [12] por ocho millones de generaciones, con cuatro cadenas de Markov-Montecarlo
bajo el algoritmo de Metropolis-Hasting (MCMC), esto para el genoma completo. Los
árboles se visualizaron con el programa Figtree 1.2.2 [13].
Resultados y Discusión
El mejor costo del análisis de sensibilidad se obtuvo con valores de ts1tv1g1 para los
genes y el genoma. De acuerdo con del índice de incongruencia de Farris la interacción
de costos óptimos presento un ILD=0,192 (Tabla 2). El modelo de sustitución nucleotídica
obtenido con JModelTest fue GTR+G+I para cada gen y el genoma.
Las estimaciones de las relaciones filogenéticas bajo el criterio de máxima verosimilitud
(ML) para el genoma señalaron monofila para el grupo HIV1 y para el grupo HIV2, cada
uno relacionado con SIVcpz y SIVsmm respectivamente (Figura 1). Los grupos de estudio
bajo este análisis arrojan un buen soporte, con tazas evolutivas de cambio bajas: 0.339
para SIVcpz-HIV1 y 0.044 para SIVsmm-HIV2, lo cual es congruente con las teorías de
evolución del virus según Sharp & Hahn [14], Charleston & Robertson [15], Wertheim &
Worobey [16] y Lucie & Martine [17], evidenciando una variabilidad adecuada en las
secuencias analizadas lo que permitió obtener una buena resolución en la topología de
los taxones estudiados, congruente con los artículos anteriormente citados.
El análisis de inferencia bayesiana para la evidencia total (Figura 2), representó una
topología con un buen soporte de probabilidad posteriori en toda la filogenia; sin embargo,
se presenta una politomía que disminuye el poder explicativo del cladograma, debido a
que no permite dilucidar las relaciones de parentesco entre los grupos dentro de la
politomía. Esto pudo deberse a un muestreo pobre a causa de la falta de poder
computacional disponible para la resolución de dicha topología, por lo que no se relacionó
debidamente la presencia de la variabilidad entre secuencias. La topología es el producto
de un consenso de la mayoría para solucionar los conflictos entre los árboles disponibles
en el programa. Sin embargo, los taxas terminales propias del grupo HIV1 relacionados
con SIVcpz y el grupo HIV2 relacionados con el SIVsmm son consistentes
respectivamente con los resultados obtenidos por Paraskevis et al [18] y Santiago et al [19].
El análisis de parsimonia realizado con TNT 1.1 se obtuvo un árbol consenso de longitud
de 22239 pasos (Figura 3). Los valores de remuestreo de Bootstrap dan buen soporte en
todos los nodos de la topología. Existe consistencia en las tres topologías halladas por
parsimonia, máxima verosimilitud e inferencia bayesiana en cuanto a la monofilia del
clado HIV1 el cual se encuentra relacionado con el grupo SIVcpzptt. La monofilia del clado
HIV2 que está emparentado con el grupo SIVsmm está soportada en parsimonia y
máxima verosimilitud.
Conclusiones
En la hipótesis del origen del HIV, propuesta por Sharp & Hahn [14], Charleston &
Robertson [15], Wertheim & Worobey, [16], Lucie & Martine [17], Heeney et al. [22,] plantean al
SIV como el origen del HIV, siendo el HIV producto de eventos de trasmisión de distintos
SIV desde primates africanos no-humanos a humanos; el SIV de Pan troglodytes
troglodytes dio lugar a los grupos M, N, y O del HIV1, por otra parte HIV2 surgió a partir
de cepas del SIVsmm provenientes del primate no-humano Cercocebus sp [21].
Lo anterior plantea que el HIV y SIV no son grupos hermanos, esto se evidencia en las
topologías halladas en los análisis de este estudio, en las cuales se encuentran taxas
terminales correspondientes a algunas cepas de SIV que presentan tasas significativas de
cambio, mostrando una relación no cercana con las demás cepas del SIV.
Concluimos que el HIV es producto de la variabilidad, mutación y adaptación de SIV aun
nuevo hospedero, el humano, esto se debe a la alta tasa mutacional presente en los
genes de la cápside (gag), envoltura (env) y polimerasa inversa (pol) que causa la gran
heterogeneidad del virus, pero aun así, los datos son insuficientes para proporcionar una
conclusión confiable sobre ello.
Recomendaciones
Se recomienda el uso del programa TNT 1.1, para el análisis de parsimonia, debido a que
es un programa con algoritmos de búsquedas de árboles muy rápido, con una extensiva
capacidad de manejo y diagnosis del mismo [23].
Bibliografia
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Anexos
Tablas
Código de accesión
EU117991.1*
Secuencia
FIV EU117991.1
Pantera leo
FIV EF455614 Puma
concolor
FIV U56928 Felis
manul
Abreviatura
outgroupa
Año
2008
Ubicación geográfica
Congo, Zambia, Angola y Sudáfrica
outgroupc
2008
América
outgroupb
1997
HIV1 AB485633
Ghana
HIV1 AY271690
Cameroon
HIV1 AJ866555 Cote
d'Ivoire
HIV1 AY322190
Kenya
HIV1 AF197341
Central African
HIV1 AF069671
Uganda
HIV1 AF361873
Tanzania
HIV1 AJ251057
Senegal
HIV1 FM877778
Republica
democratica
SIV HQ378594.1
Chlorocebus
sabaeus
HIV1Ghana
2006
Entre los 1000 y 4000 metros en Irán,
India, Pakistán, Afganistán, China y
Mongolia.
Ghana
HIV1Cameroon
2003
Camerón
HIV1CotedIvoire
2005
Cote d´Ivoire
HIV1Kenya
2004
Kenya
HIV1Central
África
HIV1Uganda
2002
África Central
2000
Uganda
HIV1Tanzania
2001
Tanzania
HIV1Senegal
2006
Senegal
HIV1
Repubdemocr
2009
República democrática
SIVChlorosab a
2011
África subsahariana (desde Senegal:
Sudáfrica)
M66437.1
SIV_M66437.1
Chlorocebus
sabaeus
SIVChlorosab b
2008
África subsahariana (desde Senegal:
Sudáfrica)
M58410.1
SIV M58410.1
Chlorocebus
sabaeus
SIV AY159322.1
Mandrillus sphinx
SIV Chlorosab c
1991
África subsahariana (desde Senegal:
Sudáfrica)
SIV Mandrillus
sphi
SIV Mandrileuc
2006
Oeste de África , desde Guinea
Ecuatorial al Congo
Camerún, Nigeria y Guinea Ecuatorial
SIVPantroglo a
2003
África central, Sudán, Tanzania,
Zambia, Uganda y R. del Congo.
SIV Pantroglo b
2011
Gabón, Guinea y R. del Congo.
SIV Pantrogl c
2005
Gabón, Guinea y R. del Congo.
EF455614*
U56928*
AB231898
AY271690
AJ866555
AY322190
AF197341
AF069671
AF361873
AJ251057
FM877778
HQ378594.1
AY159322.1
AY159321.1
SIV AF447763.1
FR686510.1
X52154.1
SIV AY159321.1
Mandrillus
leucophaeus
SIV AF447763.1 Pan
troglodytes
schweinfurthii
SIV FR686510.1 Pan
troglodytes
troglodytes
SIV X52154.1 Pan
troglodytes
troglodytes
2006
SIV AF103818.1 Pan
troglodytes
troglodytes
SIV FM165200.1
Procolobus verus
SIV Pantrogl d
1999
Gabón, Guinea y R. del Congo.
SIV Procoverus
2010
SIV AF301156.1
Colobus guereza
SIV M19499.1
Macaca mulatta
SIV Colobgue
2001
SIVMaccamul
2000
Costa de Marfil, Ghana, Guinea, Liberia,
Nigeria y Sierra Leona.
África oriental y central, Etiopía,
Tanzania, Nigeria, Zambia y Chad.
Etiopía
SIV L06042.1
Cercopithecus mitis
SIV U58991.1
Cercopithecus
tantalus
SIVCercopi a
2000
SIVCercopi b
2005
HM803689.1
SIV HM803689.1
Cercocebus
torquatus
SIV Cercopi c
2010
NC001549
SIV NC001549.1
Cercopithecus
aethiops
SIV FR751162.1
Cercopithecus
solatus
SIV AF075269.1
Cercopithecus
l'hoesti
SIV Cercopi d
2009
SIVCercopi e
2011
Selva humedad en Gabón
SIV Cercopi f
1999
Uganda, Burundi, Ruanda y el Congo
HIV2 M30502 Mali
HIV2 X52223
Gambia
HIV2 J04542 Ghana
HIV2 D00835
Guinea Bissau
HIV2 AF208027 Cote
d`Ivoire
HIV2 EU028345
Camerón
HIV2 M15390
Senegal
HIV2 U27200.1
Costa de marfil
HIV2 Mali
HIV2 Gambia
2002
2005
Mali
Gambia
HIV2 Ghana
HIV2 GuiBiss
2000
2007
Ghana
Guinea Bissau
HIV2 CotdIvoi
2000
Cote d` Ivoire
HIV2 Camero
2008
Camerón
HIV2 Senegal
1996
Senegal
HIV2 Costmarf
1995
Costa de Marfil
AF103818.1
FM165200.1
SIV AF301156.1
M19499.1
L06042.1
U58991.1
FR751162.1
AF075269.1
M30502
X52223
J04542
D00835
AF208027
EU028345
M15390
U27200.1
Entre el Valle del Rift y río Congo hasta
Angola y Zambia.
Ghana, Sudan y Kenia.
Camerún, R.D.Congo, Costa de Marfil,
Guinea, Gabón , Ghana, Nigeria,
Senegal y Sierra Le
África subsahariana (desde Senegal:
Sudáfrica)
Tabla 1. Listado de cepas con sus respectivas abreviaturas y números de accesión para
los genomas usados en el presente estudio. Las especies marcadas con asterisco (*)
fueron consideradas como outgroup.
Costos
ET
Env
Gap
Pol
Vif
Vpx
Vpr
Nef,Tat,Env
ILD
111-111-1
66028
1737
9
8965
1616
2
107
2
201
0
206
9
5689
0,19207003
122-1222
10589
0
2764
1
1387
5
2457
9
175
3
329
2
335
5
9199
0,20961375
124-1244
13289
4
3320
2
1644
7
2766
6
217
0
421
5
407
8
11486
0,25305883
Tabla 2. Índice de incongruencia de Farris (ILD) para con los tres sets de costos
asignados a los Genes Env, Gap, Pol, Vif, Vpx, Vpr respectivamente. Se resalta el valor
de ILD óptimo.
Ilustraciones
Figura 3. Filogenia de lentivirus. Mostrando las relaciones evolutivas en las secuencias genómicas de HIV y SIV derivados de
varios huéspedes primates; El grupo externos son miembros de la familia felidae y están con los siguientes nombres:
“Outpantera”, “Outfelis” y “Outpuma”. Los virus de la cepa SIVcpz están señalados con azul, los virus de la cepa SIVsmm
con rojo. Este árbol fue estimado usando el método de parsimonia.
Figura 2. Filogenia de lentivirus. Mostrando las relaciones evolutivas en las secuencias genómicas de HIV y SIV derivados de
varios huéspedes primates; El grupo externo son miembros de la familia felidae y están con los siguientes nombres:
“Outpantera”, “Outfelis” y “Outpuma”. Los virus de la cepa SIVcpz están señalados con azul, los virus de la cepa SIVsmm
con rojo. Este árbol fue estimado usando el método de inferencia bayesiana.
Figura 1. Filogenia de lentivirus. Mostrando las relaciones evolutivas en las secuencias genómicas de HIV y SIV derivados de
varios huéspedes primates; El grupo externo son miembros de la familia felidae y están con los siguientes nombres:
“Outpantera”, “Outfelis” y “Outpuma”. Los virus de la cepa SIVcpz están señalados con azul, los virus de la cepa SIVsmm
con rojo. Este árbol fue estimado usando el método de máxima verosimilitud (ML).