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From genotypes to organisms: State-of-the-art and perspectives of a cornerstone in evolutionary dynamics
Understanding how genotypes map onto phenotypes, fitness, and eventually
organisms is arguably the next major missing piece in a fully predictive theory
of evolution. We refer to this generally as the problem of the
genotype-phenotype map. Though we are still far from achieving a complete
picture of these relationships, our current understanding of simpler questions,
such as the structure induced in the space of genotypes by sequences mapped to
molecular structures, has revealed important facts that deeply affect the
dynamical description of evolutionary processes. Empirical evidence supporting
the fundamental relevance of features such as phenotypic bias is mounting as
well, while the synthesis of conceptual and experimental progress leads to
questioning current assumptions on the nature of evolutionary dynamics-cancer
progression models or synthetic biology approaches being notable examples. This
work delves into a critical and constructive attitude in our current knowledge
of how genotypes map onto molecular phenotypes and organismal functions, and
discusses theoretical and empirical avenues to broaden and improve this
comprehension. As a final goal, this community should aim at deriving an
updated picture of evolutionary processes soundly relying on the structural
properties of genotype spaces, as revealed by modern techniques of molecular
and functional analysis.Comment: 111 pages, 11 figures uses elsarticle latex clas
Probing entry inhibitors' activity on HIV and development of new fusion inhibitors : integrating evolutionary biology with virology
Tese de doutoramento, Farmácia (Microbiologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2011The general aims of this thesis were: 1) to examine the C2, V3 and C3 envelope regions ofHIV-1 and HIV-2 at the molecular, evolutionary and structural levels; 2) to compare HIV-1and HIV-2 susceptibility to entry inhibitors and assess their potential value in HIV-2therapy; 3) to produce a new fusion inhibitor peptide using evolutionary biology basedstrategies.In the first study (Chapter 2), HIV-1 and HIV-2 were compared at the molecular,evolutionary and structural levels in the C2, V3 and C3 envelope regions. We identifiedsignificant structural and functional constrains to the diversification and evolution of C2,V3 and C3 in the HIV-2 envelope but not in HIV-1. In particular, we found that V3 in HIV-2is less exposed and more conserved than in HIV-1, suggesting fundamental differences inthe biology and infection of these viruses as well as in their susceptibility to entryinhibitors.In the second study (Chapter 3) we measured the baseline susceptibility of HIV-1 and HIV-2primary isolates to different fusion inhibitors and coreceptor antagonists, includingenfuvirtide (T-20) and maraviroc (MVC). MVC inhibited HIV-2 R5 variants at significantlyhigher IC90 concentrations than HIV-1 variants. Moreover, as previously found in HIV-1,susceptibility of HIV-2 R5 variants to MVC was inversely related with CD4+ T cell counts attime of virus isolation. These results suggest that the structure of the envelope complex ofR5 variants changes along the course of infection. More importantly, the results call fornew clinical studies to evaluate the efficacy of MVC in HIV-2 infection and to determine itsbest therapeutic dosage in early and late stage disease. We also provide definitiveevidence demonstrating that T-20 is not useful for HIV-2 therapy.In the final study (Chapter 4), we designed a new HIV fusion inhibitor peptide (P3) basedon the ancestral sequences of the HIV-2 and SIV envelope genes. P3 has an a-helixstructure as demonstrated by circular dichroism. It has broad antiviral activity at thenanomolar range against HIV-1 and HIV-2 primary isolates, including HIV-1 variantsresistant to T-20. Binding ELISA assays and selection of resistant mutants suggest that P3prevents viral fusion by binding to the transmembrane protein in the HR1 region. Thesestudies provide proof of concept that viable antiviral peptides can be constructed usingevolutionary biology strategies. Such strategies should be explored to enhance theproduction of peptide drugs and vaccines.O Vírus da Imunodeficiência Humana do tipo 1 e do tipo 2 (VIH-1 e VIH-2) são os agentes etiológicos do Síndrome de Imunodeficiência Adquirida (SIDA). Embora sejam semelhantes na sua organização estrutural e genómica, estes lentivírus humanos apresentam características antigénicas distintas e partilham uma semelhança genética de apenas 50%. Enquanto o VIH-1 é responsável pela pandemia mundial, a infecção pelo VIH-2 localiza-se sobretudo na África Ocidental, em alguns países europeus como Portugal e França, e na Índia. A infecção pelo VIH-2 tem melhor prognóstico, a progressão para a doença é mais lenta e há melhor controlo imunológico do que na infecção pelo VIH-1. Ao contrário do VIH-1, o arsenal terapêutico actualmente disponível para tratar a infecção por VIH-2 é reduzido. Os fármacos antiretrovirais em uso foram especificamente desenvolvidos para o VIH-1 e, consequentemente, a sua actividade pode ser reduzida ou nula no VIH-2. Este é o caso concreto dos inibidores não nucleosídicos da transcriptase reversa e de alguns inibidores da protease. Neste contexto, os inibidores de entrada poderão ser úteis para tratar a infecção por VIH-2. Contudo, a susceptibilidade dos isolados primários de VIH-2 aos inibidores de entrada é actualmente desconhecida. A susceptibilidade do VIH aos inibidores de entrada é determinada pela qualidade da interacção do vírus com os receptores celulares. O VIH-1 e VIH-2 são substancialmente diferentes a este nível. Por exemplo, o VIH-2 pode ligar-se ao co-receptor CCR5 independentemente do receptor CD4 e da região V3 do invólucro. Por outro lado, as regiões C2, V3 e C3 do VIH-2 são substancialmente diferentes do VIH-1 a nível antigénico. Colectivamente, estes dados indicam que a estrutura e conformação das glicoproteínas de superfície do VIH-1 e VIH-2 são substancialmente diferentes e sugerem que a susceptibilidade e resistência dos dois tipos de vírus aos inibidores de entrada podem também ser diferentes. Os principais objectivos desta tese foram: 1) analisar as características moleculares, estruturais e evolutivas das regiões C2, V3 e C3 no VIH-1 e VIH-2; 2) comparar a susceptibilidade do VIH-1 e VIH-2 aos inibidores de entrada e avaliar o seu potencial terapêutico na infecção por VIH-2; 3) produzir um novo inibidor de fusão para o VIH-2. Para melhor compreender as potenciais diferenças destes dois vírus na resposta aos inibidores de entrada começámos por analisar as características moleculares, estruturais e evolutivas da região V3 e as regiões circundantes C2 e C3, num número significativo de vírus VIH-1 e VIH-2 isolados em Portugal e noutras regiões do globo, com recurso a diferentes metodologias de biologia evolutiva e computacional (Capitulo 2). Apesar da menor variabilidade das 3 regiões no VIH-2, verificámos que a região C3 está sob forte selecção positiva e encontra-se exposta à superfície sugerindo que, tal como no VIH-1, esta região poderá constituir um domínio neutralizante. No entanto, ao contrário do VIH-1, a maioria das mutações adaptativas no VIH-2 são prejudiciais e levam à extinção das linhagens virais pelo que o efeito final é um forte constrangimento à variabilidade das regiões analisadas. Ao contrário do VIH-1, verificámos que a ansa V3 do VIH-2 se encontra oclusa no complexo glicoproteico do invólucro, numa conformação que parece ser estabilizada por interacções que mantém com alguns resíduos da regiões C2 e C3. Estes resultados são consistentes com o facto de a V3 não ser imunodominante no VIH-2, ficando assim mais protegida da resposta imunitária e das eventuais mutações que dela resultam. A forte conservação da V3, da C2 e da C3 também é consistente com a sua potencialmente importante actividade imunosupressora. Em conclusão, este primeiro estudo permitiu caracterizar algumas das características estruturais e funcionais que distinguem as glicoproteínas do invólucro do VIH-1 e do VIH-2 e que estão associadas às diferentes características biológicas e fenotípicas destes dois vírus. Estes dados podem ter impacto na resposta dos dois vírus aos inibidores de entrada (analisado no Capítulo 3) e no desenvolvimento de novas vacinas. No segundo estudo (Capítulo 3) comparámos a actividade antiviral dos antagonistas dos coreceptores (AMD3100, TAK-779 e maraviroc) e dos inibidores de fusão (T-20 e T-1249) entre um grupo de 20 isolados de VIH-2 (19 isolados primários + um isolado laboratorial) e nove isolados de VIH-1 (sete isolados primários + dois isolados laboratoriais). Verificámos que a sensibilidade ao AMD3100 e ao TAK-779 é semelhante no VIH-1 e o VIH-2. No entanto, o perfil da curva dose-resposta do maraviroc (MVC) obtido para os isolados R5 foi diferente nos dois tipos de vírus. No VIH-2 os valores de IC90 foram significativamente mais elevados do que no VIH-1; por outro lado, os declives da curva dose-resposta foram mais baixos no VIH-2 do que no VIH-1. Colectivamente, estes resultados sugerem que poderão ser necessárias concentrações mais elevadas de MVC para tratar os doentes infectados pelo VIH-2. Adicionalmente, encontrámos uma correlação forte e de sentido inverso entre as susceptibilidade do VIH-2 ao MVC e o número de células T CD4+ dos doentes quando os vírus foram isolados. Vírus isolados em doentes em fase de SIDA foram menos susceptíveis ao MVC do que os vírus isolados em doentes com uma contagem de células T CD4+ superior a 200 células/ul. Ao contrário do VIH-1 não encontrámos qualquer correlação entre a carga da V3 e a susceptibilidade dos isolados R5 de VIH-2 ao MVC. De um modo geral, os nossos resultados sugerem que são necessários ensaios clínicos para avaliar a efectividade do MVC na infecção pelo VIH-2, determinar a dose terapêutica mais adequada e esclarecer se é necessário fazer um ajuste de dose de acordo com a fase da doença. Adicionalmente, e uma vez que isolados VIH-2 X4 e populações duplas/mistas são totalmente ou parcialmente resistentes ao MVC, é de extrema importância o desenvolvimento de um ensaio de tropismo (genotípico e/ou fenotípico) para o VIH-2 de modo a determinar o tropismo antes do início da terapia com MVC. Sem o conhecimento prévio do tropismo viral, o tratamento com MVC poderá seleccionar espécies X4 minoritárias que estão associadas a maior resistência à neutralização e uma progressão mais rápida da doença. No que diz respeito aos inibidores de fusão, verificámos que o T-20 tem actividade reduzida no VIH-2, confirmando estudos anteriores realizados com dois isolados laboratoriais. Por outro lado, observámos uma elevada susceptibilidade deste vírus ao T- 1249, indicando que os inibidores de fusão são potencialmente eficazes na infecção pelo VIH-2. Assim, o desenvolvimento de um novo inibidor de fusão do VIH-2 foi o objectivo do último estudo desta tese (Capítulo 4). No Capítulo 4, desenvolvemos novos péptidos inibidores de fusão a partir da reconstrução de sequências ancestrais da glicoproteína gp36 do invólucro de VIH-2 e de Vírus de Imunodeficiência dos Símios (VIS). Com esta abordagem inovadora pretendemos incorporar a história evolutiva dos vírus na sequência dos péptidos e desta forma melhorar a tolerância destas moléculas aos polimorfismos naturais da sua região alvo bem como às mutações de resistência seleccionadas na sua presença. Obteve-se um péptido ancestral (P3) constituído por 34 aminoácidos, cuja sequência corresponde às posições homólogas 628 – 661 da proteína Env do isolado VIH-1 HXB2 (ou 623 – 656 do isolado VIH-2 ROD). A sequência do P3 difere em 21 aminoácidos da sequência consenso de VIH-1, 14 aminoácidos da sequência do T-20 e 6 aminoácidos da sequência consenso de VIH-2. Ao contrário da natureza não-estruturada do T-20, o P3 tem uma conformação típica em hélice-a, o que lhe poderá conferir maior a estabilidade contra a degradação proteolítica, bem como maior afinidade para a região alvo. Por outro lado, o P3 foi facilmente solúvel em soluções aquosas o que é uma vantagem num futuro desenvolvimento de uma fórmula farmacêutica. O P3 demonstrou ter uma forte actividade antiviral contra isolados primários e laboratoriais de VIH-1 e VIH-2 (IC50 médio, 11 nM para o HIV-1 e 63.8 nM para o HIV-2), incluindo variantes resistentes ao T-20 (IC50, 0.15 – 11.8 nM). Através da passagem consecutiva de vírus em cultura na presença do péptido, foi seleccionada uma mutação de resistência na região HR1 da gp41 (VIH-1), a qual é responsável pela redução da susceptibilidade do VIH-1 ao P3 em 120x. Nas mesmas condições, e após 60 dias em cultura, não foi possível seleccionar mutações de resistência ao P3 no VIH-2. Estes resultado, em conjugação com a sua forte ligação à glicoproteína transmembranar de um isolado de VIH-2, indicam que, tal como outros péptidos baseados na região HR2 (T-20, T- 1249), o P3 inibe a entrada do VIH pela interacção com a região HR1 da gp41 e sugerem que a barreira genética para a resistência ao P3 é significativamente superior no VIH-2 do que no VIH-1. Neste estudo demonstrámos ainda que o P3 é significativamente menos antigénico do que o T-20 nos doentes infectados pelo VIH-1 o que poderá traduzir-se numa maior duração da eficácia clínica do P3 em comparação com o T-20. Os resultados obtidos com o P3 demonstram pela primeira vez que é possível desenvolver péptidos com actividade antiviral significativa utilizando metodologias de biologia evolutiva, pelo que esta abordagem poderá ser explorada no futuro para a produção de medicamentos peptídicos e, eventualmente, de vacinas
Artificial Ontogenies: A Computational Model of the Control and Evolution of Development
Understanding the behaviour of biological systems is a challenging task. Gene regulation, development and evolution are each a product of nonlinear interactions between many individual agents: genes, cells or organisms. Moreover, these three processes are not isolated, but interact with one another in an important fashion. The development of an organism involves complex patterns of dynamic behaviour at the genetic level. The gene networks that produce this behaviour are subject to mutations that can alter the course of development, resulting in the production of novel morphologies. Evolution occurs when these novel morphologies are favoured by natural selection and survive to pass on their genes to future generations. Computational models can assist us to understand biological systems by providing a framework within which their behaviour can be explored. Many natural processes, including gene regulation and development, have a computational element to their control. Constructing formal models of these systems enables their behaviour to be simulated, observed and quantified on a scale not otherwise feasible. This thesis uses a computational simulation methodology to explore the relationship between development and evolution. An important question in evolutionary biology is how to explain the direction of evolution. Conventional explanations of evolutionary history have focused on the role of natural selection in orienting evolution. More recently, it has been argued that the nature of development, and the way it changes in response to mutation, may also be a significant factor. A network-lineage model of artificial ontogenies is described that incorporates a developmental mapping between the dynamics of a gene network and a cell lineage representation of a phenotype. Three series of simulation studies are reported, exploring: (a) the relationship between the structure of a gene network and its dynamic behaviour; (b) the characteristic distributions of ontogenies and phenotypes generated by the dynamics of gene networks; (c) the effect of these characteristic distributions on the evolution of ontogeny. The results of these studies indicate that the model networks are capable of generating a diverse range of stable behaviours, and possess a small yet significant sensitivity to perturbation. In the context of developmental control, the intrinsic dynamics of the model networks predispose the production of ontogenies with a modular, quasi-systematic structure. This predisposition is reflected in the structure of variation available for selection in an adaptive search process, resulting in the evolution of ontogenies biased towards simplicity. These results suggest a possible explanation for the levels of ontogenetic complexity observed in biological organisms: that they may be a product of the network architecture of developmental control. By quantifying complexity, variation and bias, the network-lineage model described in this thesis provides a computational method for investigating the effects of development on the direction of evolution. In doing so, it establishes a viable framework for simulating computational aspects of complex biological systems
Evolutionary Innovations and the Organization of Protein Functions in Genotype Space
The organization of protein structures in protein genotype space is well studied. The same does not hold for protein functions, whose organization is important to understand how novel protein functions can arise through blind evolutionary searches of sequence space. In systems other than proteins, two organizational features of genotype space facilitate phenotypic innovation. The first is that genotypes with the same phenotype form vast and connected genotype networks. The second is that different neighborhoods in this space contain different novel phenotypes. We here characterize the organization of enzymatic functions in protein genotype space, using a data set of more than 30,000 proteins with known structure and function. We show that different neighborhoods of genotype space contain proteins with very different functions. This property both facilitates evolutionary innovation through exploration of a genotype network, and it constrains the evolution of novel phenotypes. The phenotypic diversity of different neighborhoods is caused by the fact that some functions can be carried out by multiple structures. We show that the space of protein functions is not homogeneous, and different genotype neighborhoods tend to contain a different spectrum of functions, whose diversity increases with increasing distance of these neighborhoods in sequence space. Whether a protein with a given function can evolve specific new functions is thus determined by the protein's location in sequence space
Dynamicity and Performance in Adaptive Organizations
In this dissertation, I focus on the conceptualization and empirical investigation of organizational adaptation. Specifically, I intend to study how dynamic organizations evolve and under which conditions they successfully adapt to a changing environment. In essay 1 (with D. Levinthal), we develop a simulation model to clarify and explore some of the basic conceptual issues concerning the dynamics through which business practices locally adapt within an intra-organizational ecology of organizational level skills, knowledge, and capabilities subject to processes of mutation and selection. For essay 2 (with A. Prencipe), we designed and conducted a field project by collecting qualitative data: a mix of archival data, interviews and ethnographic field notes. The main goal is to investigate how organizational adaptation plays out under the pressure of various institutional forces. Our findings illustrate that institutional forces generate selective reactions within the ecology of existing organizational routines. Conversely, non-institutional forces adapt to the existing behavioral forms following a two-way dynamic process. In essay 3, I developed an empirical research design based on a panel data analysis to investigate the role of dynamic capabilities in boosting adaptation performance. This work examines some of the fundamental contingencies that impact the relationship between dynamic capabilities and organizational performance. Specifically, although prior experience in product adaptation is considered as a key driver of superior performance, its value is found to be highly conditional on both the level of focal activity - a recent adaptation effort on specific activities - and the intensity of the environmental changes
Evolvability signatures of generative encodings: beyond standard performance benchmarks
Evolutionary robotics is a promising approach to autonomously synthesize
machines with abilities that resemble those of animals, but the field suffers
from a lack of strong foundations. In particular, evolutionary systems are
currently assessed solely by the fitness score their evolved artifacts can
achieve for a specific task, whereas such fitness-based comparisons provide
limited insights about how the same system would evaluate on different tasks,
and its adaptive capabilities to respond to changes in fitness (e.g., from
damages to the machine, or in new situations). To counter these limitations, we
introduce the concept of "evolvability signatures", which picture the
post-mutation statistical distribution of both behavior diversity (how
different are the robot behaviors after a mutation?) and fitness values (how
different is the fitness after a mutation?). We tested the relevance of this
concept by evolving controllers for hexapod robot locomotion using five
different genotype-to-phenotype mappings (direct encoding, generative encoding
of open-loop and closed-loop central pattern generators, generative encoding of
neural networks, and single-unit pattern generators (SUPG)). We observed a
predictive relationship between the evolvability signature of each encoding and
the number of generations required by hexapods to adapt from incurred damages.
Our study also reveals that, across the five investigated encodings, the SUPG
scheme achieved the best evolvability signature, and was always foremost in
recovering an effective gait following robot damages. Overall, our evolvability
signatures neatly complement existing task-performance benchmarks, and pave the
way for stronger foundations for research in evolutionary robotics.Comment: 24 pages with 12 figures in the main text, and 4 supplementary
figures. Accepted at Information Sciences journal (in press). Supplemental
videos are available online at, see http://goo.gl/uyY1R
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