Epistasia multidimensional y la rugosidad de los paisajes adaptativos y factores del huésped que determinan la eficacia viral

Abstract

Somos conscientes de que existen claras diferencias en la organización del material hereditario en todos los organismos y que puede alterarse en escalas de tiempo relativamente cortas. En otras palabras, nos referimos a la evolución de la arquitectura del genoma y predecirla es particularmente difícil, debido a la falta de conocimiento de algunos de sus principios fundamentales. Sí poseemos información sobre las tasas de mutación y recombinación, el papel de la deriva genética o la distribución de los efectos mutacionales. Sin embargo, la información sobre la topografía de los paisajes adaptativos sigue siendo escasa y no sabemos cómo puede condicionar la evolución del virus. Los paisajes adaptativos son un concepto fundamental en biología evolutiva que trata de discernir el número de vías mutacionales accesibles para alcanzar picos de eficacia (es decir, soluciones adaptativas). Durante mucho tiempo, los paisajes fueron sólo construcciones teóricas, pero actualmente pueden caracterizarse las propiedades de los paisajes empíricos gracias a la aportación de información precisa sobre los distintos genotipos. En relación a dicha aportación, uno de los parámetros más importantes es la eficacia viral, que se ha convertido en un cálculo estándar en virología y es esencial para evaluar el potencial evolutivo de un genotipo. Básicamente, define la ventaja (o desventaja) de un genotipo dado con respecto a uno de referencia. Por lo general, las poblaciones de virus se componen de una mezcla de genotipos cuya abundancia en la población depende de las diferencias de eficacia, las interacciones entre genotipos y la deriva genética. Pero, ¿cuántos picos de eficacia puede poseer un paisaje adaptativo? ¿Serían los mismos en otras condiciones ambientales? ¿Es equitativa la contribución de la adaptación, la historia y el azar en el proceso evolutivo? ¿Hasta qué punto son relevantes las interacciones epistáticas para determinar la rugosidad del paisaje adaptativo? ¿Y la regulación de los genes del huésped durante la infección? ¿Podemos identificar los genes del mismo cuya expresión depende de la eficacia viral? Para contestar a éstas y muchas otras preguntas, hemos dividido los resultados de esta tesis en cuatro capítulos. La primera parte tratará de mostrar cómo se mueven las poblaciones virales en un paisaje de eficacia rugoso y si lo hacen eficientemente. También se evaluará si pueden escapar de la cuenca de atracción de un pico de eficacia óptima local. Para ello, partiendo de un conjunto de virus situados a distintas distancias del óptimo local, observaremos si la evolución recompensa mantenerse en el óptimo o premia la exploración de regiones distantes del paisaje. En cualquier caso, determinaremos la contribución de la adaptación, la contingencia histórica y el azar. En la segunda parte compararemos las topografías de los paisajes de dos huéspedes, original y alternativo, en busca de similitudes y diferencias. Así, analizaremos si se producen ganancias o pérdidas de eficacia en distintas condiciones y observaremos si destaca algún tipo de interacción epistática. Además, trataremos de realizar un ejercicio de valoración global para esclarecer si son más importantes los detalles macroscópicos del paisaje o los microscópicos. El propósito del tercer capítulo se aleja del tema principal para tratar de evaluar in vivo las diferencias de eficacia entre componentes subclonales de una población. Para hacerlo, trataremos de aislar centenares de subclones biológicos individuales de una población viral mediante ensayos de infectividad en un huésped alternativo, en el que el virus objeto de estudio produce lesiones locales. Por último, habiendo analizado en profundidad los paisajes de eficacia, ahondaremos en el estudio de las diferencias entre genotipos virales a nivel de la respuesta molecular del huésped a la infección. Para tal objetivo, compararemos los transcrip

We are aware that there are clear differences in the organisation of hereditary material in all organisms and that it can be altered at relatively short timescales. Predicting the evolution of genome architecture is particularly difficult, due to a lack of knowledge of some of its fundamental principles. We have information about mutation and recombination rates, the role of genetic drift, or the distribution of mutational effects. However, information about the topography of adaptive landscapes remains scarce and we do not know how it can condition the evolution of the virus. Adaptive landscapes are a fundamental concept in evolutionary biology that seeks to discern the number of mutational pathways accessible to achieve fitness peaks (i.e., adaptive solutions). For a long time, landscapes were only theoretical constructions, but today the properties of empirical landscapes can be characterized thanks to the contribution of precise information on the different genotypes. One of the most important parameters in relation to this contribution is viral fitness, which has become a standard parameter in virology and is essential for assessing the evolutionary potential of a genotype. Basically, it defines the advantage (or disadvantage) of a given genotype over a reference genotype. In general, virus populations are composed of a mixture of genotypes whose abundance in the population depends on differences in fitness, interactions between genotypes and genetic drift. But how many fitness peaks can have an adaptive landscape? Would they be the same in other environmental conditions? Is equal the contribution of adaptation, history and chance in the evolutionary process? To what extent are epistatic interactions relevant to determining the roughness of the adaptive landscape? What about regulation of host genes during infection? Can we identify the host genes whose expression depends on viral fitness? To answer these and many other questions, we have divided the results of this thesis into four chapters. The first part of the work will try to show how viral populations move in a rugged fitness landscape and if they do so efficiently. It will also be evaluated whether they can escape from the catchment area of a local peak of maximum fitness. To this end, starting from a set of genotypes of the virus, which are located at different distances from the local optimum in a very rugged landscape, we will observe whether evolution rewards staying in the local optimum or, on the other way, rewards the exploration of the landscape. In either case, we will determine the contribution of adaptation, historical contingency and fortuitous events. The second part will focus on the properties of the landscapes of two hosts, the original and an alternative one, in search of similarities and differences. Thus, we will analyze if there are gains or losses in fitness under different conditions and we will look if any epistatic interaction is highlighted. Furthermore, without forgetting all the other characteristics that define a fitness landscape, we will try to carry out a global valuation exercise to clarify whether macroscopic or microscopic details of the landscape are more important. The purpose of the third chapter momentarily moves away from the main theme of this thesis, empirical fitness landscapes, to try to assess in vivo the differences in fitness between subclonal components of a population. To do this, we will attempt to isolate hundreds of individual biological subclones of a viral population through infectivity assays in an alternative host, where the virus produces local lesions. Finally, having thoroughly analyzed the empirical fitness landscapes, we will study the differences between viral genotypes at the level of molecular response in infected hosts. For this purpose, we will study the profiles of plants infected with seven viral genotypes, which will differ in their fitness.

Som conscients que hi ha clares diferències en l'organització del material hereditari en tots els organismes i que pot alterar-se en escales de temps relativament curtes. Ens referim a l'evolució de l'arquitectura del genoma i predir-la és particularment difícil, a causa de la falta de coneixement d'alguns dels seus principis fonamentals. Sí que posseïm informació sobre les taxes de mutació i recombinació, el paper de la deriva genètica o la distribució dels efectes de les mutacions. No obstant això, la informació sobre la topografia dels paisatges adaptatius continua sent escassa i no coneguem com pot condicionar l'evolució del virus. Els paisatges adaptatius són un concepte fonamental en biologia evolutiva que tracta de aclarir el nombre de vies mutacionals accessibles per a arribar als pics d'eficàcia (és a dir, solucions adaptatives). Durant molt de temps, els paisatges van ser només construccions teòriques, però ara poden caracteritzar-se les propietats dels paisatges empírics gràcies a l'aportació d'informació precisa dels distints genotips. En relació a la dita aportació, un dels paràmetres més importants és l'eficàcia viral, que s'ha convertit en un càlcul estàndard en virologia i és essencial per a avaluar el potencial evolutiu d'un genotip. Bàsicament, definix l'avantatge (o desavantatge) d'un genotip respecte a un de referència. Generalment, les poblacions de virus es componen d'una mescla de genotips l'abundància dels quals en la població depén de les diferències d'eficàcia, les interaccions entre genotips i la deriva genètica. Però, quants pics d'eficàcia pot posseir un paisatge adaptatiu? Serien els mateixos en altres condicions ambientals? És equitativa la contribució de l'adaptació, la història i l'atzar en el procés evolutiu? Fins a quin punt són rellevants les interaccions epistàtiques per a determinar la rugositat del paisatge adaptatiu? I la regulació dels gens de l'hoste durant la infecció? Podem identificar els gens de l'hoste l'expressió dels quals depén de l'eficàcia viral? Pertanyen a la mateixa classe funcional? Per a contestar a aquestes i moltes altres preguntes, hem dividit els resultats d'esta tesi en quatre capítols. La primera part tractarà de mostrar com es mouen les poblacions virals en un paisatge d'eficàcia rugós i si ho fan eficientment. També s'avaluarà si poden escapar de la conca d'atracció d'un pic d'eficàcia òptima local. Per a aixó, partint d'un conjunt de virus que se situen a distintes distàncies de l'òptim, observarem si l'evolució recompensa mantindre's en l'òptim local o, al contrari, premia l'exploració de regions distants del paisatge. En tot cas, determinarem la contribució de l'adaptació, la contingència històrica i esdeveniments fortuïts. En la segona part compararem les topografies dels paisatges de dos hostes, original i alternatiu, a la cerca de similituds i diferències. Així, analitzarem si es produïxen guanys o pèrdues d'eficàcia en distintes condicions i observarem si destaca algun tipus d'interacció epistática. A més, sense oblidar-nos de totes les altres característiques que definixen un paisatge d'eficàcia, tractarem de realitzar un exercici de valoració global per a aclarir si són més importants els detalls macroscòpics del paisatge o els microscòpics. El propòsit del tercer capítol s'allunya del tema principal per a tractar d'avaluar in vivo les diferències d'eficàcia entre components subclonals d'una població. Per a fer-ho, tractarem d'aïllar centenars de subclons biològics individuals d'una població viral per mitjà d'assajos d'infectividad en un hoste alternatiu, en el que el virus objecte d'estudi produïx lesions locals. Finalment, després d'analitzar en profunditat els paisatges d'eficàcia, aprofundirem en l'estudi de les diferències entre genotips virals a nivell de la resposta molecular de l'hoste a la infecció. Per a tal objectiu, compararem els transcri