Published December 17, 2021 | Version v1
Publication Open

Genomic epidemiological models describe pathogen evolution across fitness valleys

Creators

  • 1. Massachusetts Institute of Technology
  • 2. Universidad Nacional de Colombia
  • 3. Universidad de Los Andes

Description

Abstract Genomics is fundamentally changing epidemiological research. However, systematically exploring hypotheses in pathogen evolution requires new modeling tools. Models intertwining pathogen epidemiology and genomic evolution can help understand processes such as the emergence of novel pathogen genotypes with higher transmissibility or resistance to treatment. In this work, we present Opqua, a flexible simulation framework that explicitly links epidemiology to sequence evolution and selection. We use Opqua to study determinants of evolution across fitness valleys. We confirm that competition can limit evolution in high transmission environments and find that low transmission, host mobility, and complex pathogen life cycles facilitate reaching new adaptive peaks through population bottlenecks and decoupling of selective pressures. The results show the potential of genomic epidemiological modeling as a tool in infectious disease research.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يعمل علم الجينوم التجريدي على تغيير البحوث الوبائية بشكل أساسي. ومع ذلك، فإن استكشاف الفرضيات بشكل منهجي في تطور العوامل الممرضة يتطلب أدوات نمذجة جديدة. يمكن أن تساعد نماذج علم الأوبئة المسببة للأمراض المتشابكة ونماذج التطور الجيني في فهم عمليات مثل ظهور أنماط وراثية مسببة للأمراض جديدة ذات قابلية انتقال أعلى أو مقاومة للعلاج. في هذا العمل، نقدم Opqua، وهو إطار محاكاة مرن يربط بوضوح علم الأوبئة بتسلسل التطور والانتقاء. نستخدم Opqua لدراسة محددات التطور عبر وديان اللياقة البدنية. نؤكد أن المنافسة يمكن أن تحد من التطور في بيئات الانتقال العالية ونجد أن الانتقال المنخفض، وتنقل المضيف، ودورات حياة مسببات الأمراض المعقدة تسهل الوصول إلى قمم تكيفية جديدة من خلال الاختناقات السكانية وفصل الضغوط الانتقائية. تظهر النتائج إمكانات النمذجة الوبائية الجينية كأداة في أبحاث الأمراض المعدية.

Translated Description (English)

Abstract Genomics is fundamentally changing epidemiological research. However, systematically exploring hypotheses in pathogen evolution requires new modeling tools. Intertwining pathogen epidemiology and genomic evolution models can help understand processes such as the emergence of novel pathogen genotypes with higher transmissibility or resistance to treatment. In this work, we present Opqua, a flexible simulation framework that explicitly links epidemiology to sequence evolution and selection. We use Opqua to study determinants of evolution across fitness valleys. We confirm that competition can limit evolution in high transmission environments and find that low transmission, host mobility, and complex pathogen life cycles facilitate reaching new adaptive peaks through population bottlenecks and decoupling of selective pressures. The results show the potential of genomic epidemiological modeling as a tool in infectious disease research.

Translated Description (French)

La génomique abstraite est en train de changer fondamentalement la recherche épidémiologique. Cependant, l'exploration systématique des hypothèses sur l'évolution des agents pathogènes nécessite de nouveaux outils de modélisation. L'épidémiologie des agents pathogènes et les modèles d'évolution génomique peuvent aider à comprendre des processus tels que l'émergence de nouveaux génotypes d'agents pathogènes présentant une transmissibilité ou une résistance au traitement plus élevée. Dans ce travail, nous présentons Opqua, un cadre de simulation flexible qui relie explicitement l'épidémiologie à l'évolution et à la sélection des séquences. Nous utilisons Opqua pour étudier les déterminants de l'évolution dans les vallées de remise en forme. Nous confirmons que la concurrence peut limiter l'évolution dans les environnements à transmission élevée et constatons que la faible transmission, la mobilité de l'hôte et les cycles de vie complexes des agents pathogènes facilitent l'atteinte de nouveaux pics d'adaptation grâce aux goulots d'étranglement de la population et au découplage des pressions sélectives. Les résultats montrent le potentiel de la modélisation épidémiologique génomique en tant qu'outil de recherche sur les maladies infectieuses.

Translated Description (Spanish)

Resumen La genómica está cambiando fundamentalmente la investigación epidemiológica. Sin embargo, la exploración sistemática de hipótesis en la evolución de patógenos requiere nuevas herramientas de modelado. Interrelacionar la epidemiología de los patógenos y los modelos de evolución genómica puede ayudar a comprender procesos como la aparición de nuevos genotipos de patógenos con mayor transmisibilidad o resistencia al tratamiento. En este trabajo, presentamos Opqua, un marco de simulación flexible que vincula explícitamente la epidemiología con la evolución y selección de secuencias. Utilizamos Opqua para estudiar los determinantes de la evolución en los valles del fitness. Confirmamos que la competencia puede limitar la evolución en entornos de alta transmisión y encontramos que la baja transmisión, la movilidad del huésped y los complejos ciclos de vida de los patógenos facilitan alcanzar nuevos picos de adaptación a través de los cuellos de botella de la población y el desacoplamiento de las presiones selectivas. Los resultados muestran el potencial de la modelización epidemiológica genómica como herramienta en la investigación de enfermedades infecciosas.

Files

2021.12.16.473045.full.pdf.pdf

Files (9.4 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:6ad88e4d8561810461fed43d9fb403df
9.4 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تصف النماذج الوبائية الجينية تطور العوامل الممرضة عبر أودية اللياقة البدنية
Translated title (English)
Genomic epidemiological models describe pathogen evolution across fitness valleys
Translated title (French)
Les modèles épidémiologiques génomiques décrivent l'évolution des agents pathogènes dans les vallées de fitness
Translated title (Spanish)
Los modelos epidemiológicos genómicos describen la evolución de los patógenos en los valles de fitness

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4200392868
DOI
10.1101/2021.12.16.473045

Is supplement to
https://openalex.org/W4310364541 (Other)
https://openalex.org/W4285083081 (Other)
https://openalex.org/W4246522342 (Other)
https://openalex.org/W4200392868 (Other)
https://openalex.org/W2441671549 (Other)
https://openalex.org/W2175732162 (Other)
https://openalex.org/W2062772087 (Other)
https://openalex.org/W2051046172 (Other)
https://openalex.org/W2037412015 (Other)
https://openalex.org/W100402930 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Colombia

References

  • https://openalex.org/W1817385113
  • https://openalex.org/W1832577619
  • https://openalex.org/W1974841785
  • https://openalex.org/W2030379752
  • https://openalex.org/W2032691419
  • https://openalex.org/W2053817355
  • https://openalex.org/W2069313265
  • https://openalex.org/W2086603421
  • https://openalex.org/W2091526576
  • https://openalex.org/W2104690544
  • https://openalex.org/W2105252640
  • https://openalex.org/W2107849319
  • https://openalex.org/W2109551540
  • https://openalex.org/W2159044370
  • https://openalex.org/W2160184568
  • https://openalex.org/W2171102256
  • https://openalex.org/W2259815689
  • https://openalex.org/W2266201493
  • https://openalex.org/W2511674367
  • https://openalex.org/W2766207587
  • https://openalex.org/W2784054171
  • https://openalex.org/W2794858133
  • https://openalex.org/W2801658401
  • https://openalex.org/W2803912068
  • https://openalex.org/W2949556747
  • https://openalex.org/W2956323674
  • https://openalex.org/W2963313115
  • https://openalex.org/W2964824210
  • https://openalex.org/W2969974048
  • https://openalex.org/W3014632875
  • https://openalex.org/W3039236671
  • https://openalex.org/W3039399227
  • https://openalex.org/W3042091277
  • https://openalex.org/W3047115797
  • https://openalex.org/W3110696950
  • https://openalex.org/W3110873485
  • https://openalex.org/W3111336046
  • https://openalex.org/W3120598909
  • https://openalex.org/W3128186941
  • https://openalex.org/W3158268380
  • https://openalex.org/W3158300114
  • https://openalex.org/W3164351929
  • https://openalex.org/W3164830555
  • https://openalex.org/W3180301457
  • https://openalex.org/W3183741867
  • https://openalex.org/W3186731930
  • https://openalex.org/W3193682077
  • https://openalex.org/W3193688499
  • https://openalex.org/W3195737245
  • https://openalex.org/W3199702860
  • https://openalex.org/W3200130214
  • https://openalex.org/W4200191157
  • https://openalex.org/W4206150382
  • https://openalex.org/W4221027706