Phenotypic variability and host-switching : effects on the evolutionary history of parasites

Abstract

Resumo: Doenças infecciosas emergentes (EIDs) são, além de uma questão de segurança alimentar e saúde pública, uma questão ecológica e evolutiva. O reconhecimento dessa condição aliado ao acúmulo de evidências de que os patógenos não são especialistas em seus hospedeiros evidencia a necessidade de compreender como ocorre a dinâmica de interação entre patógenos e hospedeiros. Enquanto a produção e análise de dados empíricos oferecem oportunidades para estudar sistemas complexos, modelos computacionais que simulam sistemas biológicos fornecem importantes insights para a compreensão dos processos ecológicos e evolutivos emergentes. Na primeira parte deste trabalho, Capítulo 1, revisamos modelos associados a dinâmica de EIDs, integramos seus resultados em uma suposta dinâmica de doenças infecciosas e fornecemos sugestões sobre como integrar esses achados em um protocolo de prevenção de EIDs (DAMA). Para a sequência do trabalho, Capítulo 2, analisamos o efeito da variabilidade fenotípica no sucesso de estabelecimento de parasitos em hospedeiros que representam diferentes distâncias filogenéticas hospedeiro original. Através de simulações in silico, contrastamos cenários com e sem variabilidade fenotípica entre os indivíduos presentes no propágulo e testamos três tamanhos de propágulos. Os parâmetros avaliados se mostraram positivamente relacionados com a incorporação de hospedeiros distantes ao repertório original dos parasitos. Além disso, demonstramos que variantes de parasitos pouco frequentes em suas populações originais e, portanto, possivelmente desconhecidas por nós, podem ser as responsáveis pela colonização e posterior estabelecimento em hospedeiros bastante distintos dos seus originais. Por fim, Capítulo 3, buscamos por evidências de eventos de troca de hospedeiros na evolução dos parasitas, e se estes sinais diferem de acordo com o aumento da diferença de pressão seletiva imposta pelos hospedeiros utilizados. Avaliamos alterações nas frequências de mutação, número de eventos de diversificação, extinção, número de linhagens, balanço da filogenia e aceleração da diversificação de populações de parasitas simuladas. Nós encontramos assinaturas temporárias da troca de hospedeiros em todas as métricas avaliadas, com efeito da distância entre hospedeiros apenas nas medidas feitas a partir dos parasitas presentes exclusivamente no hospedeiro recém colonizado. Os estudos dessa tese contribuem com a compreensão de aspectos ecológicos e evolutivos entre parasitos e hospedeiros.

Abstract: Emerging infectious diseases (EIDs) are, besides food security and public health issues, an ecological and evolutionary issue. The recognition of this condition, combined with the accumulation of evidence that pathogens are not specialists in their hosts, highlights the need to understand how the dynamics of interaction between pathogens and hosts occur. While the production and analysis of empirical data give opportunities to study complex systems, computational models that simulate biological systems provide important insights for understanding emerging ecological and evolutionary processes. In the first part of this work, Chapter 1, we review models associated with EIDs’ dynamics, integrate their results into a putative dynamic of infectious disease, and provide suggestions on how to integrate these findings into an EID prevention protocol (DAMA). In the workflow sequence, Chapter 2, we analyzed the effect of phenotypic variability on the success of establishment in hosts that represent different phylogenetic distances from the original host. Through in silico simulations, we contrasted scenarios with and without phenotypic variability between individuals in the propagule and tested three propagule sizes. The evaluated parameters were positively related to the incorporation of distant hosts into the parasites' original repertoire. Furthermore, we demonstrated that variants with low frequency phenotypes in their original populations and, therefore, possibly unknown to us, may be responsible for colonization and subsequent establishment in hosts that are phylogenetically quite different from their originals. Finally, in Chapter 3, we looked for signatures of host switching events in parasites’ evolution, and whether these signatures vary according to how different the selective pressures imposed by the hosts involved. We evaluated changes in mutation frequencies, number of diversification events, extinction, number of lineages, phylogeny balance, and acceleration of diversification of simulated parasite populations. We found temporary signatures of host-switching in all metrics assessed, and the effect of distance between hosts had affected only measurements made from parasites present exclusively in the newly colonized host. These studies contribute to the understanding of ecological and evolutive aspects between parasites and their hosts.