Global Alignment of Molecular Sequences via Ancestral State Reconstruction

Molecular phylogenetic techniques do not generally account for such common evolutionary events as site insertions and deletions (known as indels). Instead tree building algorithms and ancestral state inference procedures typically rely on substitution-only models of sequence evolution. In practice these methods are extended beyond this simplified setting with the use of heuristics that produce global alignments of the input sequences--an important problem which has no rigorous model-based solution. In this paper we consider a new version of the multiple sequence alignment in the context of stochastic indel models. More precisely, we introduce the following {\em trace reconstruction problem on a tree} (TRPT): a binary sequence is broadcast through a tree channel where we allow substitutions, deletions, and insertions; we seek to reconstruct the original sequence from the sequences received at the leaves of the tree. We give a recursive procedure for this problem with strong reconstruction guarantees at low mutation rates, providing also an alignment of the sequences at the leaves of the tree. The TRPT problem without indels has been studied in previous work (Mossel 2004, Daskalakis et al. 2006) as a bootstrapping step towards obtaining optimal phylogenetic reconstruction methods. The present work sets up a framework for extending these works to evolutionary models with indels

Consensus mutagenesis reveals that non-helical regions influence thermal stability of horseradish peroxidase

The enzyme horseradish peroxidase has many uses in biotechnology but a stabilized derivative would have even wider applicability. To enhance thermal stability, we applied consensus mutagenesis (used successfully with other proteins) to recombinant horseradish peroxidase and generated five single-site mutants. Unexpectedly, these mutations had greater effects on steady-state kinetics than on thermal stability. Only two mutants (T102A, T110V) marginally exceeded the wild type's thermal stability (4% and 10% gain in half-life at 50 °C respectively); the others (Q106R, Q107D, I180F) were less stable than wild type. Stability of a five-fold combination mutant matched that of Q106R, the least-stable single mutant. These results were perplexing: the Class III plant peroxidases display wide differences in thermal stability, yet the consensus mutations failed to reflect these natural variations. We examined the sequence content of Class III peroxidases to determine if there are identifiable molecular reasons for the stability differences observed. Bioinformatic analysis validated our choice of sites and mutations and generated an archetypal peroxidase sequence for comparison with extant sequences. It seems that both genetic variation and differences in protein stability are confined to non-helical regions due to the presence of a highly conserved alpha-helical structural scaffold in these enzymes

Alignment-free phylogenetic reconstruction: Sample complexity via a branching process analysis

We present an efficient phylogenetic reconstruction algorithm allowing insertions and deletions which provably achieves a sequence-length requirement (or sample complexity) growing polynomially in the number of taxa. Our algorithm is distance-based, that is, it relies on pairwise sequence comparisons. More importantly, our approach largely bypasses the difficult problem of multiple sequence alignment.Comment: Published in at http://dx.doi.org/10.1214/12-AAP852 the Annals of Applied Probability (http://www.imstat.org/aap/) by the Institute of Mathematical Statistics (http://www.imstat.org

Coming to America: Multiple Origins of New World Geckos

Geckos in the Western Hemisphere provide an excellent model to study faunal assembly at a continental scale. We generated a time-calibrated phylogeny, including exemplars of all New World gecko genera, to produce a biogeographic scenario for the New World geckos. Patterns of New World gecko origins are consistent with almost every biogeographic scenario utilized by a terrestrial vertebrate with different New World lineages showing evidence of vicariance, dispersal via temporary land bridge, overseas dispersal, or anthropogenic introductions. We also recovered a strong relationship between clade age and species diversity, with older New World lineages having more species than more recently arrived lineages. Our data provide the first phylogenetic hypothesis for all New World geckos and highlight the intricate origins and ongoing organization of continental faunas. The phylogenetic and biogeographical hypotheses presented here provide an historical framework to further pursue research on the diversification and assembly of the New World herpetofauna

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

From sea to land and beyond : new insights into the evolution of euthyneuran Gastropoda (Mollusca)

Background The Euthyneura are considered to be the most successful and diverse group of Gastropoda. Phylogenetically, they are riven with controversy. Previous morphology-based phylogenetic studies have been greatly hampered by rampant parallelism in morphological characters or by incomplete taxon sampling. Based on sequences of nuclear 18S rRNA and 28S rRNA as well as mitochondrial 16S rRNA and COI DNA from 56 taxa, we reconstructed the phylogeny of Euthyneura utilising Maximum Likelihood and Bayesian inference methods. The evolution of colonization of freshwater and terrestrial habitats by pulmonate Euthyneura, considered crucial in the evolution of this group of Gastropoda, is reconstructed with Bayesian approaches. Results We found several well supported clades within Euthyneura, however, we could not confirm the traditional classification, since Pulmonata are paraphyletic and Opistobranchia are either polyphyletic or paraphyletic with several clades clearly distinguishable. Sacoglossa appear separately from the rest of the Opisthobranchia as sister taxon to basal Pulmonata. Within Pulmonata, Basommatophora are paraphyletic and Hygrophila and Eupulmonata form monophyletic clades. Pyramidelloidea are placed within Euthyneura rendering the Euthyneura paraphyletic. Conclusion Based on the current phylogeny, it can be proposed for the first time that invasion of freshwater by Pulmonata is a unique evolutionary event and has taken place directly from the marine environment via an aquatic pathway. The origin of colonisation of terrestrial habitats is seeded in marginal zones and has probably occurred via estuaries or semi-terrestrial habitats such as mangroves

Evolutionary modes in protein observable space: the case of Thioredoxins

In this article, we investigated the structural and dynamical evolutionary behaviour of a set of ten thioredoxin proteins as formed by three extant forms and seven resurrected ones in laboratory. Starting from the crystallographic structures, we performed all-atom molecular dynamics simulations and compare the trajectories in terms of structural and dynamical properties. Interestingly, the structural properties related to the protein density (i.e. the number of residues divided by the excluded molecular volume) well describe the protein evolutionary behaviour. Our results also suggest that the changes in sequence as occurred during the evolution have affected the protein essential motions, allowing us to discriminate between ancient and extant proteins in terms of their dynamical behaviour. Such results are yet more evident when the bacterial, archaeal and eukaryotic thioredoxins are separately analysed

The inference of gene trees with species trees

Molecular phylogeny has focused mainly on improving models for the reconstruction of gene trees based on sequence alignments. Yet, most phylogeneticists seek to reveal the history of species. Although the histories of genes and species are tightly linked, they are seldom identical, because genes duplicate, are lost or horizontally transferred, and because alleles can co-exist in populations for periods that may span several speciation events. Building models describing the relationship between gene and species trees can thus improve the reconstruction of gene trees when a species tree is known, and vice-versa. Several approaches have been proposed to solve the problem in one direction or the other, but in general neither gene trees nor species trees are known. Only a few studies have attempted to jointly infer gene trees and species trees. In this article we review the various models that have been used to describe the relationship between gene trees and species trees. These models account for gene duplication and loss, transfer or incomplete lineage sorting. Some of them consider several types of events together, but none exists currently that considers the full repertoire of processes that generate gene trees along the species tree. Simulations as well as empirical studies on genomic data show that combining gene tree-species tree models with models of sequence evolution improves gene tree reconstruction. In turn, these better gene trees provide a better basis for studying genome evolution or reconstructing ancestral chromosomes and ancestral gene sequences. We predict that gene tree-species tree methods that can deal with genomic data sets will be instrumental to advancing our understanding of genomic evolution.Comment: Review article in relation to the "Mathematical and Computational Evolutionary Biology" conference, Montpellier, 201

Evolution of microgastropods (Ellobioidea, Carychiidae): integrating taxonomic, phylogenetic and evolutionary hypotheses

BACKGROUND: Current biodiversity patterns are considered largely the result of past climatic and tectonic changes. In an integrative approach, we combine taxonomic and phylogenetic hypotheses to analyze temporal and geographic diversification of epigean (Carychium) and subterranean (Zospeum) evolutionary lineages in Carychiidae (Eupulmonata, Ellobioidea). We explicitly test three hypotheses: 1) morphospecies encompass unrecognized evolutionary lineages, 2) limited dispersal results in a close genetic relationship of geographical proximally distributed taxa and 3) major climatic and tectonic events had an impact on lineage diversification within Carychiidae. RESULTS: Initial morphospecies assignments were investigated by different molecular delimitation approaches (threshold, ABGD, GMYC and SP). Despite a conservative delimitation strategy, carychiid morphospecies comprise a great number of unrecognized evolutionary lineages. We attribute this phenomenon to historic underestimation of morphological stasis and phenotypic variability amongst lineages. The first molecular phylogenetic hypothesis for the Carychiidae (based on COI, 16S and H3) reveals Carychium and Zospeum to be reciprocally monophyletic. Geographical proximally distributed lineages are often closely related. The temporal diversification of Carychiidae is best described by a constant rate model of diversification. The evolution of Carychiidae is characterized by relatively few (long distance) colonization events. We find support for an Asian origin of Carychium. Zospeum may have arrived in Europe before extant members of Carychium. Distantly related Carychium clades inhabit a wide spectrum of the available bioclimatic niche and demonstrate considerable niche overlap. CONCLUSIONS: Carychiid taxonomy is in dire need of revision. An inferred wide distribution and variable phenotype suggest underestimated diversity in Zospeum. Several Carychium morphospecies are results of past taxonomic lumping. By collecting populations at their type locality, molecular investigations are able to link historic morphospecies assignments to their respective evolutionary lineage. We propose that rare founder populations initially colonized a continent or cave system. Subsequent passive dispersal into adjacent areas led to in situ pan-continental or mountain range diversifications. Major environmental changes did not influence carychiid diversification. However, certain molecular delimitation methods indicated a recent decrease in diversification rate. We attribute this decrease to protracted speciation