Computational Methods for the Study of Influenza A Virus Phylodynamics

Influenza ist eine ansteckende virale Erkrankung der Atemwege, die seit Jahrhunderten fur betrachtliche Morbiditat und Mortaliat in der menschlichen Bevolkerung verantwortlich ist. Allein in den USA verursacht das Influenzavirus jahrlich trotz weitreichender Impfstrategien etwa 41.000 Todesfalle. Damit stellt Influenza eine erhebliche Belastung fur das Gesundheitswesen und die Wirtschaft dar. Es zirkulieren drei verschiedene Typen in der menschlichen Bevolkerung, wobei sich Viren vom Typ A am schnellsten weiterentwickeln und gewohnlich fur die meisten Infektionen verantwortlich sind. Durch einen Prozess, der als ``antigenic drift'' bezeichnet wird, verandert das Virus fortlaufend die genetische Zusammensetzung seiner zwei Oberflachenproteine Hamagglutinin und Neuraminidase, um einer Erkennung und Neutralisierung durch das menschliche Immunsystem zu entkommen. Dementsprechend muss die Zusammensetzung des Influenzaimpfstoffes regelmasig erneuert werden. In diesem Zusammenhang ist eine genaue und rechtzeitige Erkennung von viralen Stammen, welche das Potential zur Dominanz in der viralen Population besitzen, von groster Bedeutung, um eine hinreichende Wirksamkeit des Impfstoffes zu gewahrleisten. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Methoden fur die Analyse der ``Phylodynamiken'' von Influenza-A-Viren. Die Hauptaufgabe bestand somit darin, die evolutionaren und epidemiologischen Vorgange von Influenza zu untersuchen und darzustellen, wie deren Zusammenspiel die Evolution des Virus beeinflusst. Zwei verschiedene Strategien wurden entwickelt, welche diese Fragestellung von (i) einem populationsgenetischen Punkt und von (ii) einem molekulargenetischen Blickwinkel aus betrachten. Influenza-A-Viren zeichnen sich durch eine hohe Mutationsrate und Populationsgrose aus. Dadurch laufen die zugehorigen evolutionaren Prozesse zeitlich auf einer ahnlichen Skala ab wie epidemiologische Prozesse. Diese Gegebenheit ermoglicht eine gemeinsame Analyse der genetischen und raumlich-zeitlichen Dynamik des Virus. Wir haben ``allele dynamics plots'' (AD-plots) entwickelt, welche die evolutionaren Veranderungen eines Genes in einer Population grafisch darstellen. AD-plots visualisieren Gen-Allele und deren Haufigkeiten uber die Zeit unter Verwendung von datierten genetischen Sequenzen. Allele sind in diesem Zusammenhang als nicht-leere Mengen von Aminosaureaustauschen definiert, die fur einzelne "Aste eines phylogenetischen Baumes inferiert wurden. Die Vorzuge dieser Methode wurden anhand einer Untersuchung der evolutionaren Dynamiken saisonaler Influenza-A-Viren demonstriert. AD-plots des Hamagglutinin von saisonalen Influenza-A-Viren (Subtyp H3N2) und 2009 pandemischen Influenza-A-Viren (Subtyp H1N1) zeigen die Abfolge von Substitutionen, die in der Evolution der zwei viralen Populationen fixiert wurden. Des Weiteren erlauben AD-plots die Identifizierung von Allelen, die wahrscheinlich einer gerichteten Selektion unterliegen. Die Identifizierung der Allele mit dem grosten Haufigkeitanstieg zwischen aufeinanderfolgenden Saisons erlaubte die zeitige Erkennung solcher Influenza-A-Viren (Subtyp H3N2), die zu einem spateren Zeitpunkt dominant in der viralen Population wurden. Der selektive Vorteil individueller Allele impliziert eine signifikante Veranderung des antigenischen Phanotyps bezuglich anderer Allele, die bereits mit einer hohen Haufigkeit in der viralen Population zirkulieren. Allerdings tragen nicht alle Substitutionen, die mit einem Allel assoziiert sind, gleichermasen zu der veranderten Antigenizitat bei. Daher ist die Unterscheidung von Substitutionen, die einen signifikanten Einfluss auf den antigenischen Phanotyp haben, von (fast) neutralen ``hitchhicker-Mutationen'' von entscheidender Bedeutung. Wir haben eine Methode fur die Inferenz von antigenischen Baumen fur Influenza-A-Viren (Subtyp H3N2) entwickelt. In antigenischen Baumen werden paarweise antigenische Distanzen auf eine gegebene Baumtopologie mittels Optimierung der kleinsten Quadrate abgebildet. Dies ermoglicht die Inferenz von antigenischen Astlangen und somit die Aufdeckung des antigenischen Einflusses der Ast-assoziierten Aminosaureaustausche. Die Genauigkeit dieser Methode mit Bezug auf die Vorhersage antigenischer Distanzen ist vergleichbar mit derer von ``antigenic cartography''. Neben der Identifizierung antigenischer Typen, d.h. Gruppen von Viren mit ahnlichen genetischen und antigenischen Charakteristika, konnten wir sieben Positionen und funf Aminosaureaustausche bestimmen, die einen grosen antigenischen Einfluss in der Evolution von Influenza-A-Viren (Subtyp H3N2) zwischen 1968 und 2003 hatten. Zusammenfassend stellen die entwickelten Methoden nutzliche Werkzeuge in der Analyse der ``Phylodynamik'' und der antigenischen Evolution von Influenza-A-Viren mit einer potentiellen Anwendungmoglichkeit fur die halbjahrlich stattfindende Auswahl geeigneter Impfstamme dar. Die Anwendung dieser Verfahren ist allerdings nicht auf diesen Erreger beschrankt. Im Prinzip kann jeder Organismus oder Erreger mittels AD-plots analysiert werden, fur den homologe genetische Sequenzen und entsprechende Datierungsinformationen vorhanden sind. Phanotyp-Baume konnen inferiert werden, wenn homologe genetische Sequenzen und paarweise phanotypische Distanzen vorhanden sind. Daher sind die entwickelten Methoden auf viele wissenschaftliche Fragestellungen ubertragbar.