Le concept de quasi-espèce, introduit par Manfred Eigen dans les années 70, décrit l'état d'équilibre d'une population subissant des forces de mutation et sélection. La plupart des modèles classiques présentant un phénomène de quasi-espèce sont déterministes et considèrent une population de taille infinie. L'objectif de cette thèse est d'étudier plusieurs modèles stochastiques, dont la taille de la population est finie, afin de montrer que le phénomène de la quasi--espèce est aussi présent dans ces modèles comme dans le modèles déterministes. Nous étudions en détail les modèles de Galton-Watson, Wright-Fisher et Moran. Nous confirmons que les trois modèles présentent un phénomène de quasi--espèce, et que la distribution de la quasi--espèce est la même pour les trois modèles, ainsi que pour le modèle original d'Eigen. De plus, nous décrivons explicitement la distribution de cette quasi--espèce pour le paysage de fitness à un pic, ainsi que pour des fonctions de fitness qui ne dépendent que de la distance de Hamming à la master sequence. / Manfred Eigen introduced the concept of quasispecies in the early 70s, in order to describe the steady--state distribution of a population subject to mutation and selection forces. Most classical models showing a quasispecies phenomenon are deterministic and deal with a population of an infinite size. The aim of this thesis is to study several stochastic and finite--population models, and to show that a quasispecies phenomenon arises in these models too. We study in detail the Galton--Watson, Wright--Fisher and Moran models. We confirm that a quasispecies phenomenon is present in the three models, and that the distribution of this quasispecies is common to all three models as well as to Eigen's original model. Moreover, we describe explicitly the distributionof the quasispecies for the sharp peak landscape, as well as for fitness functions which depend only on the Hamming distance to the master sequence.

Recentemente, Ben-Ari e Schinazi (2016) propuseram um modelo estocástico em tempo discreto para a evolução da população de espécies com alta possibilidade de mutação. Neste trabalho, é proposto essencialmente o mesmo modelo, mas em tempo contínuo e com atribuição não-uniforme de indivíduos. Nesse modelo, novas espécies surgem com taxa r, 0<r<1, e a cada nova espécie é atribuída, no instante de nascimento, uma aptidão uniforme em [0,1], independente das demais espécies presentes no sistema naquele instante. No instante de surgimento de uma nova espécie, aquela nova espécie passa a contar com 1 indivíduo no sistema. Além disso, com taxa 1-r a atribuição de 1 novo indivíduo é feita a uma espécie presente no sistema; cada espécie tem probabilidade proporcional a uma dada função f de sua aptidão de receber o novo indivíduo. Finalmente, com taxa , com <r, ocorrem eventos de extinção, quando a espécie presente com menor aptidão é removida do sistema (incluindo todos os seus indivíduos). Estudamos o comportamento assintótico da distribuição do tamanho de uma espécie escolhida ao acaso em um tempo grande: determinamos a forma assintótica desta distribuição sob certas condições sobre a função f. / Recently, Ben-Ari and Schinazi (2016) proposed a discrete time stochastic model for high mutation rate species. Essentially, we propose the same model for the continuous time. In this model, the birth rate of a species is r, 0 <r<1, and each species receives at birth a uniform fitness in [0,1], independent of the other species of the process at that time. Each new species has 1 individual at the moment of birth. Furthermore, an assignment of a new individual to a species present in the system occurs with rate 1-r. Each species has a probability of assignment weighted by a given function f, that depends on species fitness. Finally, the death rate is , <r. When a death event occurs, the species with the lowest fitness of the system is removed with all individuals. We study the asymptotic behavior of the distribution of the size of a species chosen randomly for a big time: we characterize the asymptotic form of this distribution under certain conditions on the function f.

Submitted by Marco Antônio de Ramos Chagas (mchagas@ufv.br) on 2015-11-25T15:48:39Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1728299 bytes, checksum: 9536bb852b8406140722b5b88e410730 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-11-25T15:48:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1728299 bytes, checksum: 9536bb852b8406140722b5b88e410730 (MD5) Previous issue date: 2015-07-29 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / A família Geminiviridae é composta por vírus com genoma de DNA circular de fita simples, encapsidado em partículas icosaédricas geminadas. Os vírus pertencentes ao gênero Begomovirus são transmitidos pela mosca-branca Bemisia tabaci a plantas dicotiledôneas. Os begomovírus apresentam taxas de mutação e substituição nucleotídica semelhantes às relatadas para vírus de RNA, e uma elevada taxa de recombinação. Devido ao seu rápido processo evolutivo, novas espécies de begomovírus são frequentemente encontradas no campo. Este trabalho teve como objetivos realizar a caracterização molecular de duas espécies de begomovírus infectando Pavonia sp. (Malvaceae), e quantificar a evolução do Tomato severe rugose virus (ToSRV) em um hospedeiro cultivado e um não-cultivado. Dois begomovírus foram isolados de plantas de Pavonia sp. coletadas nos municípios de Albuquerque e Corumbá, Mato Grosso do Sul. Comparação de sequências e análise filogenética indicaram tratar-se de duas novas espécies com as características de begomovírus bissegmentados das Américas. Foram propostos os nomes Pavonia mosaic virus (PavMV) e Pavonia yellow mosaic virus (PavYMV). No estudo para avaliar a dinâmica evolutiva do ToSRV, plantas de tomateiro e Nicandra physaloides foram inoculadas via biobalística com clone infeccioso do ToSRV e mantidas em casa-de-vegetação. DNA total foi extraído de folhas coletadas aos 30, 75 e 120 dias após a inoculação, e submetido a sequenciamento na plataforma Illumina HiSeq 2000. As bibliotecas de DNA foram submetidas a análise de qualidade no software FastQC. O alinhamento dos reads foi realizado no software Geneious, utilizando o clone infeccioso como sequência referência. Ambos os componentes genômicos do ToSRV apresentam taxa de substituição semelhantes a de vírus de RNA: 3,06 x 10-3 e 2,03 x 10-3 subst/sítio/ano para o DNA-A e DNA-B, respectivamente, em N. physaloides, e 1,38 x 10-3 e 8,68 x 10-4 subst/sítio/ano para o DNA-A e DNA-B, respectivamente, em tomateiro. Valores de taxa de substituição similares aos já descritos para begomovírus foram encontrados também para os genes CP, Rep, MP e NSP em ambos os hospedeiros. Foram quantificadas substituições sinônimas e não- sinônimas, transversões e transições, além de deleções e inserções nos genes CP, Rep, MP e NSP. Foi observado um decréscimo no número de variações ao longo do tempo e consequente aumento do número de sítios idênticos ao genoma referência. Nas bibliotecas provenientes de N. physaloides foi observada a supressão dos códons de terminação dos genes MP e NSP em todo decorrer da infecção, sugerindo uma estratégia adaptativa. O cálculo da entropia de Shannon identificou como hotspots de mutação a região N-terminal do gene Rep, as regiões comuns no DNA-A e DNA-B (CR-A e CR-B, respectivamente) e a região intergênica longa entre os genes MP e NSP no DNA-B (LIR-B). Estes dados sugerem que o ToSRV evolui como quasispecies, apresentando elevada variabilidade genética, o que poderia explicar em parte sua prevalência no campo. / The family Geminiviridae is comprised of viruses with a circular, single-stranded DNA genome encapsidated in twinned icosahedral particles. The viruses in the genus Begomovirus are transmitted by the whitefly Bemisia tabaci to dicot plants. Begomoviruses have mutation and nucleotide substitution rates similar to those reported for RNA viruses, and a high frequency of recombination. Due to their rapid evolutionary process, new begomovirus species are often found in the field. This study aimed to perform the molecular characterization of two begomovirus species infecting Pavonia sp. (Malvaceae), and to follow and quantify the evolution of Tomato severe rugose virus (ToSRV) in a cultivated and a non-cultivated host. Two begomoviruses were isolates from Pavonia sp. plants collected in the municipalities of Albuquerque and Corumbá, Mato Groso do Sul, Brazil. Sequence comparisons and phylogenetic analysis showed that these were two novels species, with the typical features of bipartite, New World begomoviruses. The names Pavonia mosaic virus (PavMV) and Pavonia yellow mosaic virus (PavYMV) were proposed for the two new species. In the study to evaluate the evolutionary dynamics of ToSRV, tomato and Nicandra physaloides plants were inoculated via biobalistics with an infectious clone of ToSRV and maintained in a greenhouse. Total DNA was extrated from leaves collected at 30, 75 and 120 days after inoculation, and was sequenced in the Illumina HiSeq 2000 platform. The DNA libraries from each of the two hosts were submitted to quality control analysis with FastQC software. The genome assembly was performed with the program Geneious using the infectious clone as reference. Both genomic components of ToSRV showed substitution rates similar to those of RNA viruses: 3.06 x 10-3 and 2.03 x 10-3 sub/site/year for the DNA-A and DNA-B, respectively, in N. physaloides, and 1.38 x 10-3 and 8.68 x 10-4 sub/site/year for the DNA-A and DNA-B, respectively, in tomato. Substitution rates in the range of those already described for other begomoviruses were found also for the CP, Rep, MP and NSP genes in both hosts. We quantified synonymous and non-synonymous substitutions, transversions and transitions, as well as deletions and insertions in the CP, Rep, MP and NSP genes. A decrease in the number of variable sites was observed during the course of the experiment, with a corresponding increase in the number of identical sites to the reference genome. Suppression of the stop codons of the MP and NSP genes was observed in the N. physaloides libraries, suggesting an adaptive strategy. Determination of Shannon entropy indicated mutation hotspots in the N-terminal region of the Rep gene, the intergenic common region in the DNA-A and DNA-B (CR-A and CR-B, respectively) and the long intergenic region between the MP and NSP genes in the DNA-B (LIR-B). Overall, the results indicate that ToSRV evolves as a quasispecies, with a high degree of genetic variability which could be partly responsible for its prevalence in the field.

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Made available in DSpace on 2015-07-22T20:50:48Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-01-26 / Uma grande quantidade dos vírus de importância médica, como o HIV, o vírus sincicial respiratório, o vírus da hepatite C, o vírus influenza A (H1N1), e o vírus da poliomielite, possui genoma RNA. Estes vírus apresentam taxas mutacionais extremamente altas, rápida cinética replicativa, população numerosa de partículas, e grande diversidade genética. Manifestas durante o processo infeccioso, tais características permitem a população viral adaptar-se rapidamente a ambientes dinâmicos, escapar ao sistema imunológico, desenvolver resistência às vacinas e drogas antivirais, e exibir dinâmica evolutiva complexa cuja compreensão representa um desafio para a genética de populações tradicional e para as estratégias de intervenção terapêutica efetiva. Para descrever biológica e matematicamente a evolução dos vírus RNA, modelos teóricos de evolução viral têm sido propostos, e muitas de suas predições foram confirmadas experimentalmente. O presente trabalho teve como objetivo simular computacionalmente e analisar um modelo de evolução viral que represente relações evolutivas existentes entre a população viral de genoma RNA e as diferentes pressões seletivas exercidas sobre ela na sua interação com o organismo hospedeiro. Também objetivou desenvolver um software de simulação computacional personalizado para o modelo de evolução viral, e demonstrar a possibilidade de descrever o modelo como um processo de ramificação de Galton-Watson. Entre os resultados e discussões delineados, encontram-se um critério analítico para estudo do tempo de recuperação e do regime crítico de um processo de ramificação de Galton-Watson aplicado à evolução viral; predições sobre a correlação entre fatores do organismo hospedeiro e a dinâmica evolutiva da população viral; predições sobre a contribuição da taxa mutacional, do tamanho e da capacidade replicativa máxima da população viral para o prognóstico e quatro fases da infecção: o tempo de recuperação, o equilíbrio mutação-seleção, o limiar da extinção, e a mutagênese letal. / A large amount of viruses of medical importance such as HIV, respiratory syncytial virus, the hepatitis C virus, influenza A (H1N1) and polio virus, has RNA genome. These viruses exhibit extremely high mutational rate, fast replicative kinetics, large population of particles and high genetic diversity. Manifested during the infectious process, these features allow the virus population to adapt quickly to dynamic environments, escape from the immune system, develop resistance to vaccines and antiviral drugs, and display complex evolutionary dynamics whose understanding represents a challenge to the traditional population genetics and for effective therapeutic intervention strategies. To describe mathematically and biological evolution of RNA viruses, theoretical models of virus evolution have been proposed, and many of their predictions were experimentally confirmed. This study aimed to simulate and analyze computationally a model of viral evolution that represents evolutionary relationships between the population of viral RNA genome and the different selective pressures on it in its interaction with the host organism. It also aimed to develop computational simulation software for the viral evolution model, and demonstrate the possibility of describing the model as a Galton-Watson branching process. Among the results and discussions outlined, there are an analytical criterion to study the recovery time and the critical regime of a Galton-Watson branching process applied to viral evolution; predictions about the correlation between factors of the host organism and the evolutionary dynamics of viral population; predictions about the contribution of mutational rate, the size and maximum replicative capacity of viral population for the prognosis and four stages of infection: recovery time, mutation-selection equilibrium, extinction threshold, and lethal mutagenesis. / TEDE / BV UNIFESP: Teses e dissertações

O vírus respiratório sincicial humano (HRSV) é um dos agentes patogênicos respiratórios de grande importância clínica, tendo em vista que acomete 64 milhões de crianças por ano em todo o mundo. A resposta imune do hospedeiro e a variabilidade genética do HRSV podem interferir na produção de uma vacina eficaz, tal como a presença de quasispecies na população viral. O objetivo deste trabalho foi detectar quasispecies em amostras de HRSV e verificar se soros obtidos da criança na fase convalescente da doença e de sua respectiva mãe selecionam estes mutantes. Uma alteração não sinonímia foi detectada no gene F em um dos clones seqüenciados, enquanto duas alterações sinonímias e duas não sinonímias foram encontradas no gene G do HRSV, sendo as últimas no mesmo nucleotídeo. Um dos clones pré-selecionados com soro humano apresentou a mesma alteração não-sinonímia, encontrada na ausência de anticorpos no gene G. Os resultados sugerem que diferentes sequencias virais presentes em menor quantidade na população podem ser selecionadas pelo sistema imunológico do hospedeiro. / Human respiratory syncytial virus (HRSV) is one of the most important clinical respiratory pathogens, since 64 millions children in the world are infected by this agent every year. Host immunity and viral genetic variability are important factors to a vaccine development, besides quasispecies presence in the viral population. In this work, HRSV quasispecies were detected in clinical samples in absence and presence of human polyclonal serum collected by children in the convalescent phase and mother serum. A non-synonymy variation was found in the F gene in antibodies absence. Four mutations were found at HRSV G2 in polyclonal serum absence. Two were synonymy and two were non-synonymy variation, the last in the same nucleotide. A non-synonymy mutation was found in the G2 region in presence of polyclonal serum collected from child convalescent phase. This alteration was the same of the observed in absence of polyclonal serum so it is possible that host antibodies can selected different viral minority sequences present in the population.

O vírus respiratório sincicial humano (HRSV) é um dos agentes patogênicos respiratórios de grande importância clínica, tendo em vista que acomete 64 milhões de crianças por ano em todo o mundo. A resposta imune do hospedeiro e a variabilidade genética do HRSV podem interferir na produção de uma vacina eficaz, tal como a presença de quasispecies na população viral. O objetivo deste trabalho foi detectar quasispecies em amostras de HRSV e verificar se soros obtidos da criança na fase convalescente da doença e de sua respectiva mãe selecionam estes mutantes. Uma alteração não sinonímia foi detectada no gene F em um dos clones seqüenciados, enquanto duas alterações sinonímias e duas não sinonímias foram encontradas no gene G do HRSV, sendo as últimas no mesmo nucleotídeo. Um dos clones pré-selecionados com soro humano apresentou a mesma alteração não-sinonímia, encontrada na ausência de anticorpos no gene G. Os resultados sugerem que diferentes sequencias virais presentes em menor quantidade na população podem ser selecionadas pelo sistema imunológico do hospedeiro. / Human respiratory syncytial virus (HRSV) is one of the most important clinical respiratory pathogens, since 64 millions children in the world are infected by this agent every year. Host immunity and viral genetic variability are important factors to a vaccine development, besides quasispecies presence in the viral population. In this work, HRSV quasispecies were detected in clinical samples in absence and presence of human polyclonal serum collected by children in the convalescent phase and mother serum. A non-synonymy variation was found in the F gene in antibodies absence. Four mutations were found at HRSV G2 in polyclonal serum absence. Two were synonymy and two were non-synonymy variation, the last in the same nucleotide. A non-synonymy mutation was found in the G2 region in presence of polyclonal serum collected from child convalescent phase. This alteration was the same of the observed in absence of polyclonal serum so it is possible that host antibodies can selected different viral minority sequences present in the population.

Recent advances in next generation sequencing have provided unprecedented opportunities for high-throughput genomic research, inexpensively producing millions of genomic sequences in a single run. Analysis of massive volumes of data results in a more accurate picture of the genome complexity and requires adequate bioinformatics support. We explore computational challenges of applying next generation sequencing to particular applications, focusing on the problem of reconstructing viral quasispecies spectrum from pyrosequencing shotgun reads and problem of inferring informative single nucleotide polymorphisms (SNPs), statistically covering genetic variation of a genome region in genome-wide association studies. The genomic diversity of viral quasispecies is a subject of a great interest, particularly for chronic infections, since it can lead to resistance to existing therapies. High-throughput sequencing is a promising approach to characterizing viral diversity, but unfortunately standard assembly software cannot be used to simultaneously assemble and estimate the abundance of multiple closely related (but non-identical) quasispecies sequences. Here, we introduce a new Viral Spectrum Assembler (ViSpA) for inferring quasispecies spectrum and compare it with the state-of-the-art ShoRAH tool on both synthetic and real 454 pyrosequencing shotgun reads from HCV and HIV quasispecies. While ShoRAH has an advanced error correction algorithm, ViSpA is better at quasispecies assembling, producing more accurate reconstruction of a viral population. We also foresee ViSpA application to the analysis of high-throughput sequencing data from bacterial metagenomic samples and ecological samples of eukaryote populations. Due to the large data volume in genome-wide association studies, it is desirable to find a small subset of SNPs (tags) that covers the genetic variation of the entire set. We explore the trade-off between the number of tags used per non-tagged SNP and possible overfitting and propose an efficient 2LR-Tagging heuristic.

Tick-borne encephalitis virus (strain Hypr) was serially subcultured in PS cells and tick cell line IRE/CTVM19, producing four different viral variants. Biological properties of these new variants were investigated in mouse model. Possible determinants of virulence were found by full-genome sequencing. The role of glycosylation for tick-borne encephalitis virus was evaluated.