DETERMINANTS OF DENGUE VIRUSPHYLODYNAMICS

JOSÉ LOURENÇOUNIVERSITY OF OXFORDZOOLOGY DEPARTMENT

2ND YEAR PHD STUDENTPROGRAMA DE DOUTORAMENTO EM BIOLOGIA COMPUTACIONALINSTITUTO GULBENKIAN DE CIÊNCIA

THE CASE OF SPORADIC POSITIVE SELECTION

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 1 / 20

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 2 / 20

DENGUE: DISEASE AND VIRUS DENGUE: DISEASE AND VIRUS 

DENGUE DISEASE:

➔ Most cases are self­limited or clinically silent➔ Occasionally result in a febrile illness ­ Dengue Fever (DF)➔ Rarely progresses to severe life­threatening illnesses: Dengue Haemorrhagic Fever (DHF), Dengue Sock Syndrome (DSS) 

DENGUE VIRUS:

➔ Dengue virus (DENV) is a RNA virus transmitted mainly in urban and  peri­urban settings by the A. aegypti and A. albopictus mosquitoes ➔ 4 closely related serotypes – DENV1, DENV2, DENV3 and DENV4

ANTIBODY DEPENDENT ENHANCEMENT:

➔ Whereby subneutralizing antibodies from primary infection can mediate viral entry into host cells leading to increased replication and disease manifestations

IMMUNITY: ➔ Homotypic: recovery provides life­long protection to the infecting serotype➔ Heterologous: recovery provides short­term immunity to all serotypes

MOTIVATION, PHD PROJECTMOTIVATION, PHD PROJECT

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 3 / 20

mechanismsat the

individual andpopulation

levels

phylogeneticpatterns

epidemiologicalpatterns

RECKER et al. Proc. R. Soc. B 2009

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 4 / 20

EPIDEMIOLOGYEPIDEMIOLOGY

DETERMINANTS:

➔ Competition for susceptibles➔ Immune interactions➔ ADE➔ Vector population dynamics

PHYLOGENETICSPHYLOGENETICS

GRENFELL et al. Science 2004

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 5 / 20

Genotypes

TRANSMISSION BOTTLENECKS

SPORADIC ADAPTIVE MUTATIONS

(...)

purifying selection

positive selection

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 6 / 20

SELECTIVE PHYLOGENETIC DETERMINANTSSELECTIVE PHYLOGENETIC DETERMINANTS

HOST POPULATION BOTTLENECKS

season x season x+1 season x+n

severepopulation

bottleneck(...)

severepopulation

bottleneck

HOST POPULATION STRUCTURE

geneticdrift

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 7 / 20

NON­SELECTIVE PHYLOGENETIC DETERMINANTSNON­SELECTIVE PHYLOGENETIC DETERMINANTS

spatial andtemporalclustering

INTRIGUING ASPECTS:

➔ Time to detection: phylogenetics suggest Asian­1 was introduced in the late 90's but first detected in 2003

➔ Relative fitness: replacement was fast enough to suggest significant fitness advantage but no visible epidemiological change was found in data

➔ Hypothesis: Increased viraemia levels in patients infected with Asian­1 

➔ Observation: Replacement of DENV2 resident genotype (Asian/American) by a new genotype  (Asian­1) in South­East Asia

HANG et al. PLoS NTD 2010

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 8 / 20

STUDY CASE: POSITIVE SELECTIONSTUDY CASE: POSITIVE SELECTION

OBJECTIVE OF THE STUDYOBJECTIVE OF THE STUDY

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 9 / 20

To address whether classical epidemiological models can helps us understand events at the (phylo)genetic level, and vice­versa  

STRATEGY: ➔ Using a 4 serotype epidemiological model based on the main classical biological assumptions➔ Analyzing the dynamics of invasion and fixation of new emerging genotypes➔ Focusing on a specific case study as a starting point

HUMAN POPULATION:

VECTOR POPULATION:

➔ extended SIR with 4 serotypes

➔ life­long homotypic immunity

➔ temporary heterologous immunity

➔ 2 infections – complete immunity

➔ ADE in heterologous infections

➔ no exposed/latent periods

➔ seasonality in biting rate

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 10 / 20

THE MODEL FRAMEWORKTHE MODEL FRAMEWORK

MODEL OUTPUT, FITNESS ASSUMPTIONMODEL OUTPUT, FITNESS ASSUMPTION

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 11 / 20

Fitness advantage due to increased human­to­vector transmission

RESULTS: INVASION & FITNESSRESULTS: INVASION & FITNESS

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 12 / 20

LOURENÇO & RECKER PLoS NTD 2010

Low advantage  (4.5%)

➔ Fixation within the time scale of field observations➔ Cyclical serotype behaviour remains invariant➔ No signature is present in incidence series

➔ A period of low frequency circulation is also observable in accordance with what  phylogenetic data proposed

High advantage

● Fixation in a few seasons ● Incidence and serotype patterns are disrupted● Future persistence is hampered after a major  outbreak

Phase I: period of low frequency 'emergence phase'

Phase II: rapid shift in dominance'replacement phase'

 

'replacement phase' is independent of the time point of introduction

Implying that...

 'emergence phase' Is dependent on the time point of introduction

LOURENÇO & RECKER PLoS NTD 2010

Phase I

Phase II

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 13 / 20

RESULTS: PHASES OF INVASIONRESULTS: PHASES OF INVASION

INITIAL ANALYSIS SUGGESTED:

➔ Small fitness differences are sufficient to explain the data

➔ Two phases of the invasion process: 'emergence and replacement phases'

➔ For fixed fitness levels, the epidemiological landscape at time of introduction strongly impacts the amount of time a new emerging genotype circulates in low relative frequencies in the population

BUT... IN FACT:

In a more realistic scenario, long periods of low frequency would correlate with high risk of stochastic extinction for newly arising genotypes

➔ these conclusions might not hold if extinction is considered in the simulations

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 14 / 20

CONCLUSIONS   I CONCLUSIONS   I 

Fitness advantage levels behave qualitatively equal to the ODE model (not shown)

LOURENÇO & RECKER PLoS NTD 2010

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 15 / 20

STOCHASTIC SIMULATIONS STOCHASTIC SIMULATIONS 

 ➔ Genotypes that reach fixation will suffer longer 'emergence times' if the serotype to which they belong is present at high prevalence levels

LOURENÇO & RECKER PLoS NTD 2010

Intra­serotype competition induces long periods of low frequency circulation

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 16 / 20

RESULTS: EMERGENCE PHASE/TIME RESULTS: EMERGENCE PHASE/TIME 

It strongly varies depending on:

➔ Total number of infected at introduction

Highlighting strong inter­serotype competition 

➔ Prevalence of the serotype to which it belongs

Highlighting strong intra­serotype competition

Success Rate (SR)Probability of an invading genotype to reach fixation in N stochastic simulations

LOURENÇO & RECKER PLoS NTD 2010

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 17 / 20

RESULTS: SUCCESS RATE OF INVASIONRESULTS: SUCCESS RATE OF INVASION

SMALL FITNESS DIFFERENCES:

Observed replacement events can be explained by competition between genotypes of relatively small fitness differences, which, although sufficient for intra­serotype displacement, do not interfere with the overall inter­serotype dynamics

EPIDEMIOLOGICAL LANDSCAPE HAMPERS EMERGENCE:

Intra­ and inter­serotype interactions have a big influence on viral evolution by:  

➔ reducing the success rate of new genotypes➔ forcing new genotypes to undergo 'emergence times' of several years prior reaching 

sufficiently large population sizes to escape the risk of extinction

OUR RESULTS DEMONSTRATE THAT:

Even beneficial mutants are under sever threat of extinction.

This in turn suggests that apart from purifying selection reflected in data, viral competition and genetic drift beyond seasonal bottlenecks are equally important in shaping DENV evolution.

As a consequence, viral variants might be more common than previously accepted. 

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 18 / 20

CONCLUSIONS   II CONCLUSIONS   II 

?spatial  patterns

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 19 / 20

CURRENT AND FUTURE WORK CURRENT AND FUTURE WORK 

Impact of non­selective forces on dengue's epidemiology and evolutionary patterns

Host population structure

Individual­based metapopulation model

FUNDING:

➔ FCT (Fundação para a Ciência e Tecnologia, Portugal)➔ Siemens Portugal (PDBC­IGC)

HOSTING:

➔ IGC (Instituto Gulbenkian de Ciência, Lisbon)➔ Zoology Department (University of Oxford, Oxford)

PEOPLE:

➔ Mario Recker (Supervisor, University of Oxford, Oxford)➔ Cameron Simmons (Oxford University Clinical Research Unit, Ho Chi Minh City)➔ Maíra Aguiar (Centro de Matemática e Aplicações Fundamentais, Lisbon)

JOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLANDJOSÉ LOURENÇO (PHD STUDENT) | EUROPEAN CONFERENCE ON MATHEMATICAL AND THEORETICAL BIOLOGY 2011, KRAKÓW, POLAND 20 / 20

ACKNOWLEDGEMENTS ACKNOWLEDGEMENTS