Phylogenetic dependency networks: Inferring patterns of adaptation in hiv

20
,
21
,
26
,
104
[85] Goulder PJR and Watkins DI (2004). HIV and SIV CTL escape: implications
for vaccine design. Nature Reviews Immunology 4(8):630–640.
18
,
19
,
20
,
21
,
26
,
105
,
108
,
113
,
114
[86] Goulder PJR and Watkins DI (2008). Impact of MHC class I diversity on im-
mune control of immunodeficiency virus replication. Nature Reviews Immunol-
ogy 8(8):619–630.
19
[87] Guindon S and Gascuel O (2003). A simple, fast, and accurate algorithm to esti-
mate large phylogenies by maximum likelihood. Systematic Biology 52(5):696–
704.
44
,
57
,
98
[88] Halperin I, Wolfson H and Nussinov R (2006). Correlated mutations: advances
and limitations. A study on fusion proteins and on the Cohesin-Dockerin fami-
lies. Proteins 63(4):832–845.
116

164
[89] Hansen TF (1997). Stabilizing selection and the comparative analysis of adap-
tation. Evolution 51(5):1341–1351.
9
[90] Hansen TF, Pienaar J, Orzack SH and Crandall K (2008). A comparative
method for studying adaptation to a randomly evolving environment. Evolution
62(8):1965–1977.
[91] Harrigan PR, Hogg RS, Dong WWY, Yip B, Wynhoven B, Woodward J,
Brumme CJ, Brumme ZL, Mo T, Alexander CS and Montaner JSG (2005).
Predictors of HIV drug-resistance mutations in a large antiretroviral-naive co-
hort initiating triple antiretroviral therapy. The Journal of Infectious Diseases
191(3):339–347.
197
[92] Harvey PH and Pagel MO (1991). The Comparative Method in Evolutionary
Biology. Oxford University Press, New York, NY.
6
,
9
,
89
,
117
[93] Heckerman D (1998). A tutorial on learning with Bayesian networks. In Learn-
ing in Graphical Models, Jordan MI, Ed. MIT press, Cambridge, MA, pp. 301–
354.
15
,
46
,
49
,
187
,
192
[94] Heckerman D, Chickering DM, Meek C, Rounthwaite R and Kadie C (2001).
Dependency networks for inference, collaborative filtering, and data visualiza-
tion. The Journal of Machine Learning Research 1:49–75.
2
,
16
,
31
,
118
[95] Heckerman D, Kadie C and Listgarten J (2007). Leveraging information across
HLA alleles/supertypes improves epitope prediction. Journal of Computational
Biology 14(6):736–746.
99
[96] Helgason A, Yngvadottir B, Hrafnkelsson B, Gulcher J and Stefansson K (2005).
An Icelandic example of the impact of population structure on association stud-
ies. Nature Genetics 37(1):90–95.
13

165
[97] Henderson CR (1984). Applications of linear models in animal breeding. Uni-
versity of Guelph, Guelph.
14
[98] Hill C, Worthylake D, Bancroft D, Christensen A and Sundquist W (1996).
Crystal structures of the trimeric human immunodeficiency virus type 1 matrix
protein: implications for membrane association and assembly. Proceedings of the
National Academy of Sciences of the United States of America 93(7):3099–3104.
107
[99] Hirschhorn JN and Daly MJ (2005). Genome-wide association studies for com-
mon diseases and complex traits. Nature Reviews Genetics 6(2):95–108.
[100] Honeyborne I, Prendergast A, Pereyra F, Leslie A, Crawford H, Payne R, Reddy
S, Bishop K, Moodley E, Nair K, van der Stok M, McCarthy N, Rousseau
CM, Addo M, Mullins JI, Brander C, Kiepiela P, Walker BD and Goulder
PJR (2007). Control of human immunodeficiency virus type 1 is associated
with HLA-B*13 and targeting of multiple Gag-specific CD8+ T-cell epitopes.
Journal of Virology 81(7):3667–3672.
110
[101] Housworth EA, Martins EP and Lynch M (2004). The phylogenetic mixed
model. The American Naturalist 163(1):84–96.
14
[102] Huelsenbeck JP, Nielsen R and Bollback JP (2003). Stochastic mapping of
morphological characters. Systematic Biology 52(2):131–158.
11
,
13
,
16
[103] Huelsenbeck JP, Ronquist F, Nielsen R and Bollback JP (2001).
Bayesian
inference of phylogeny and its impact on evolutionary biology.
Science
294(5550):2310–2314.
126
[104] Hulten G, Chickering DM and Heckerman D (2001). Learning Bayesian net-
works from dependency networks: a preliminary study. In Proceedings of the

166
Ninth International Workshop on Artificial Intelligence and Statistics, Bishop
CM and Frey BJ, Eds.
119
,
130
[105] Iversen AKN, Stewart-Jones G, Learn GH, Christie N, Sylvester-Hviid C, Ar-
mitage AE, Kandl R, Beattie T, Lee JK, Li Y, Chotiyarnwong P, Dong T, Xu X,
Luscher MA, MacDonald K, Ullum H, Klarlund-Pedersen B, Skinhoj P, Fugger
L, Buus S, Mullins JI, Jones EY, van der Merwe PA and McMichael AJ (2006).
Conflicting selective forces affect T cell receptor contacts in an immunodomi-
nant human immunodeficiency virus epitope. Nature Immunology 7(2):179–189.
104
,
106
,
110
[106] Jiao S and Zhang S (2008). On correcting the overestimation of the permutation-
based false discovery rate estimator. Bioinformatics 24(15):1655.
196
,
211
,
212
[107] Jojic N, Jojic V, Frey B, Meek C and Heckerman D (2006). Using “epitomes” to
model genetic diversity: rational design of HIV vaccine cocktails. In Advances
in Neural Information Processing Systems18, Weiss Y, Sch¨
olkopf B, and Platt
J, Eds. MIT Press, Cambridge, MA, pp. 587–594.
28
[108] Kang HM, Zaitlen NA, Wade CM, Kirby A, Heckerman D, Daly MJ and Eskin E
(2008). Efficient control of population structure in model organism association
mapping. Genetics 178(3):1709–1723.
[109] Karlsson AC, Iversen A, Chapman JM, de Oliviera T, Spotts G, McMichael
AJ, Davenport MP, Hecht FM and Nixon DF (2007). Sequential broadening of
CTL responses in early HIV-1 infection is associated with viral escape. PLoS
One 2(2):e225.
108
[110] Kaslow R, Carrington M, Apple R, Park L, Munoz A, Saah A, Goedert J,
Winkler C, O’Brien S, Rinaldo C, Detels R, Blattner W, Phair J, Erlich H and
Mann D (1996). Influence of combinations of human major histocompatibility

167
complex genes on the course of HIV–1 infection. Nature Medicine 2(4):405–411.
105
[111] Kass I and Horovitz A (2002). Mapping pathways of allosteric communication
in GroEL by analysis of correlated mutations. Proteins 48(4):611–617.
[112] Kawashima Y, Pfafferott K, Frater J, Matthews P, Payne R, Addo M, Gatanaga
H, Fujiwara M, Hachiya A, Koizumi H, Kuse N, Oka S, Duda A, Prendergast
A, Crawford H, Leslie A, Brumme Z, Brumme C, Allen T, Brander C, Kaslow
R, Tang J, Hunter E, Allen S, Mulenga J, Branch S, Roach T, John M, Mallal
S, Ogwu A, Shapiro R, Prado JG, Fidler S, Weber J, Pybus OG, Klenerman P,
Ndung/’u T, Phillips R, Heckerman D, Harrigan PR, Walker BD, Takiguchi M
and Goulder P (2009). Adaptation of HIV-1 to human leukocyte antigen class
I. Nature in press. doi:10.1038/nature07746.
[113] Kelleher AD, Long C, Holmes EC, Allen RL, Wilson J, Conlon C, Workman
C, Shaunak S, Olson K, Goulder P, Brander C, Ogg G, Sullivan JS, Dyer W,
Jones I, McMichael AJ, Rowland-Jones S and Phillips RE (2001). Clustered
mutations in HIV-1 Gag are consistently required for escape from HLA-B27-
restricted cytotoxic T lymphocyte responses. Journal of Experimental Medicine
193(3):375–386.
20
,
21
,
104
[114] Kennedy BW, Quinton M and van Arendonk JA (1992). Estimation of effects of
single genes on quantitative traits. Journal of Animal Science 70(7):2000–2012.
13
,
14
[115] Kiepiela P, Leslie AJ, Honeyborne I, Ramduth D, Thobakgale C, Chetty S,
Rathnavalu P, Moore C, Pfafferott KJ, Hilton L, Zimbwa P, Moore S, Allen
T, Brander C, Addo MM, Altfeld M, James I, Mallal S, Bunce M, Barber LD,
Szinger J, Day C, Klenerman P, Mullins J, Korber B, Coovadia HM, Walker
BD and Goulder PJR (2004). Dominant influence of HLA-B in mediating the

168
potential co-evolution of HIV and HLA. Nature 432(7018):769–775.
56
,
105
,
116
[116] Kiepiela P, Ngumbela K, Thobakgale C, Ramduth D, Honeyborne I, Moodley
E, Reddy S, de Pierres C, Mncube Z, Mkhwanazi N, Bishop K, van der Stok
M, Nair K, Khan N, Crawford H, Payne R, Leslie A, Prado J, Prendergast A,
Frater J, McCarthy N, Brander C, Learn GH, Nickle D, Rousseau C, Coovadia
H, Mullins JI, Heckerman D, Walker BD and Goulder P (2007). CD8 T-cell
responses to different HIV proteins have discordant associations with viral load.
Nature Medicine 13(1):46–53.
98
,
105
,
115
,
116
,
141
,
198
[117] Kimmel G, Jordan M, Halperin E, Shamir R and Karp R (2007). A randomiza-
tion test for controlling population stratification in whole-genome association
studies. The American Journal of Human Genetics 81(5):895–905.
[118] Klenerman P and McMichael A (2007). AIDS/HIV: finding footprints among
the trees. Science 315(5818):1505.
24
[119] Kloetzel P (2001). Antigen processing by the proteasome. Nature Reviews
Molecular Cell Biology 2(3):179–187.
64
[120] Korber B, Gaschen B, Yusim K, Thakallapally R, Kesmir C and Detours V
(2001). Evolutionary and immunological implications of contemporary HIV-1
variation. British Medical Bulletin 58(1):19–42.
[121] Korber B, Muldoon M, Theiler J, Gao F, Gupta R, Lapedes A, Hahn B, Wolin-
sky S and Bhattacharya T (2000). Timing the ancestor of the HIV-1 pandemic
strains. Science 288(5472):1789–1796.
18
[122] Korber BT, Farber RM, Wolpert DH and Lapedes AS (1993). Covariation
of mutations in the V3 loop of human immunodeficiency virus type 1 envelope

169
protein: an information theoretic analysis. Proceedings of the National Academy
of Sciences of the United States of America 90(15):7176–7180.
10
,
89
[123] Koup R, Safrit J, Cao Y, Andrews C, McLeod G, Borkowsky W, Farthing C and
Ho D (1994). Temporal association of cellular immune responses with the initial
control of viremia in primary human immunodeficiency virus type 1 syndrome.
Journal of Virology 68(7):4650–4655.
19
[124] Kuhner MK and Felsenstein J (1994). A simulation comparison of phylogeny
algorithms under equal and unequal evolutionary rates. Molecular Biology and
Evolution 11(3):459–468.
[125] Lander ES and Schork NJ (1994). Genetic dissection of complex traits. Science
265(5181):2037–2048.
[126] Langaas M, Lindqvist BH and Ferkingstad E (2005). Estimating the proportion
of true null hypotheses, with application to DNA microarray data. Journal of
the Royal Statistical Society - Series B: Statistical Methodology 67(4):555–572.
203
,
207
,
227
[127] Larson SM, Di Nardo AA and Davidson AR (2000). Analysis of covariation in
an SH3 domain sequence alignment: applications in tertiary contact prediction
and the design of compensating hydrophobic core substitutions. Journal of
Molecular Biology 303(3):433–446.
11
[128] Lawrence RW, Evans DM and Cardon LR (2005). Prospects and pitfalls in
whole genome association studies. Philosophical Transactions of the Royal So-
ciety of London B Biological Sciences 360(1460):1589–1595.
[129] Lee B, Nachmanson L, Robertson GG, Carlson J and Heckerman D (2008). Det.
(distance encoded tree): a scalable visualization tool for mapping multiple traits

170
to large evolutionary trees. Tech. Rep. MSR-TR-2008-97, Microsoft Research.
91
[130] Leek JT and Storey JD (2007). Capturing heterogeneity in gene expression
studies by surrogate variable analysis. PLoS Genetics 3(9):e161.
[131] Leslie A, Kavanagh D, Honeyborne I, Pfafferott K, Edwards C, Pillay T, Hilton
L, Thobakgale C, Ramduth D, Draenert R, Le Gall S, Luzzi G, Edwards A,
Brander C, Sewell AK, Moore S, Mullins J, Moore C, Mallal S, Bhardwaj N,
Yusim K, Phillips R, Klenerman P, Korber B, Kiepiela P, Walker B and Goulder
P (2005). Transmission and accumulation of CTL escape variants drive negative
associations between HIV polymorphisms and HLA. Journal of Experimental
Medicine 201(6):891–902.
21
,
102
,
115
[132] Leslie AJ, Pfafferott KJ, Chetty P, Draenert R, Addo MM, Feeney M, Tang
Y, Holmes EC, Allen T, Prado JG, Altfeld M, Brander C, Dixon C, Ramduth
D, Jeena P, Thomas SA, John AS, Roach TA, Kupfer B, Luzzi G, Edwards A,
Taylor G, Lyall H, Tudor-Williams G, Novelli V, Martinez-Picado J, Kiepiela
P, Walker BD and Goulder PJR (2004). HIV evolution: CTL escape mutation
and reversion after transmission. Nature Medicine 10(3):282–289.
20
,
21
,
22
,
36
,
104
,
110
[133] Letvin NL (2006). Progress and obstacles in the development of an AIDS vac-
cine. Nature Reviews Immunology 6(12):930–9.
19
[134] Lichterfeld M, Yu XG, Le Gall S and Altfeld M (2005). Immunodominance of
HIV-1-specific CD8
+
T-cell responses in acute HIV-1 infection: at the crossroads
of viral and host genetics. Trends in Immunology 26(3):166–171.
26
[135] Listgarten J, Brumme Z, Kadie C, Xiaojiang G, Walker B, Carrington M, Goul-

171
der P and Heckerman D (2008). Statistical resolution of ambiguous HLA typing
data. PLoS Computational Biology 4(2):e1000016.
116
[136] Listgarten J and Heckerman D (2007). Determining the number of non-spurious
arcs in a learned DAG model: investigation of a Bayesian and a frequentist
approach. In Proceedings of the 23rd Annual Conference on Uncertainty in
Artificial Intelligence, UAI Press.
80
[137] Liu Y, McNevin J, Zhao H, Tebit DM, Troyer RM, McSweyn M, Ghosh AK,
Shriner D, Arts EJ, McElrath MJ and Mullins JI (2007). Evolution of human im-
munodeficiency virus type 1 cytotoxic T-lymphocyte epitopes: fitness-balanced
escape. Journal of Virology 81(22):12179–12188.
22
,
27
[138] Lockless SW and Ranganathan R (1999). Evolutionarily conserved pathways of
energetic connectivity in protein families. Science 286(5438):295–299.
11
,
89
[139] Lohmueller KE, Pearce CL, Pike M, Lander ES and Hirschhorn JN (2003).
Meta-analysis of genetic association studies supports a contribution of common
variants to susceptibility to common disease. Nature Genetics 33(2):177–182.
[140] Lynch M (1991). Methods for the analysis of comparative data in evolutionary
biology. Evolution 45(5):1065–1080.
14
[141] Maddison DR (1990). Phylogenetic Inference of Historical Pathways and Models
of Evolutionary Change. PhD thesis, Harvard University, Cambridge, MA.
10
,
13
,
16
[142] Malcolm BA, Wilson KP, Matthews BW, Kirsch JF and Wilson AC (1990).
Ancestral lysozymes reconstructed, neutrality tested, and thermostability linked
to hydrocarbon packing. Nature 345(6270):86–89.
114
[143] Malim MH and Emerman M (2001). HIV-1 sequence variation. Cell 104(4):469–
472.
18
,
114

172
[144] Marchini J, Cardon LR, Phillips MS and Donnelly P (2004). The effects of hu-
man population structure on large genetic association studies. Nature Genetics
36(5):512–517.
13
,
95
[145] Marchini J, Donnelly P and Cardon LR (2005).
Genome-wide strategies
for detecting multiple loci that influence complex diseases. Nature Genetics
37(4):413–417.
13
[146] Martin LC, Gloor GB, Dunn SD and Wahl LM (2005). Using information theory
to search for co-evolving residues in proteins. Bioinformatics 21(22):4116–4124.
89
[147] Martinez-Picado J, Prado JG, Fry EE, Pfafferott K, Leslie A, Chetty S, Thobak-
gale C, Honeyborne I, Crawford H, Matthews P, Pillay T, Rousseau C, Mullins
JI, Brander C, Walker BD, Stuart DI, Kiepiela P and Goulder P (2006). Fit-
ness cost of escape mutations in p24 Gag in association with control of human
immunodeficiency virus type 1. Journal of Virology 80(7):3617–3623.
22
,
105
[148] Martins EP (1996). Phylogenies and the Comparative Method in Animal Be-
havior. Oxford University Press, New York, NY.
117
[149] Martins EP (2000). Adaptation and the comparative method. Trends in Ecology
& Evolution 15(7):296–299.
9
,
117
[150] Martins EP, Diniz-Filho JAF and Housworth EA (2002). Adaptive constraints
and the phylogenetic comparative method: a computer simulation test. Evolu-
tion 56(1):1–13.
[151] Martins EP and Hansen TF (1997). Phylogenies and the comparative method:
a general approach to incorporating phylogenetic information into the analysis
of interspecific data. The American Naturalist 149(4):646–667.

173
[152] Matthews PC, Leslie AJ, Katzourakis A, Crawford H, Payne R, Prendergast
A, Power K, Kelleher AD, Klenerman P, Carlson J, Heckerman D, Ndung’u T,
Walker BD, Allen TM, Pybus OG and Goulder PJR (2009). HLA footprints
on HIV-1 are associated with inter-clade polymorphisms and intra-clade phy-
logenetic clustering. Journal of Virology in press. doi:10.1128/JVI.02017-08.
127
[153] Matthews PC, Prendergast A, Leslie A, Crawford H, Payne R, Rousseau C,
Rolland M, Honeyborne I, Carlson J, Kadie C, Brander C, Bishop K, Mlotshwa
N, Mullins JI, Coovadia H, Ndung’u T, Walker BD, Heckerman D and Goulder
PJR (2008).
Central role of reverting mutations in HLA associations with
human immunodeficiency virus set point. Journal of Virology 82(17):8548–
8559.
39
,
73
,
84
,
86
,
87
,
90
,
95
,
104
[154] McMichael AJ and Rowland-Jones SL (2001). Cellular immune responses to
HIV. Nature 410(6831):980–987.
[155] Migueles SA, Sabbaghian MS, Shupert WL, Bettinotti MP, Marincola FM, Mar-
tino L, Hallahan CW, Selig SM, Schwartz D, Sullivan J and Connors M (2000).
HLA B*5701 is highly associated with restriction of virus replication in a sub-
group of HIV-infected long term nonprogressors. Proceedings of the National
Academy of Sciences of the United States of America 97(6):2709–2714.
105
[156] Miyahira Y, Murata K, Rodriguez D, Rodriguez JR, Esteban M, Rodrigues MM
and Zavala F (1995). Quantification of antigen specific CD8
+
T cells using an
ELISPOT assay. Journal of Immunological Methods 181(1):45–54.
198
[157] Moore CB, John M, James IR, Christiansen FT, Witt CS and Mallal SA (2002).
Evidence of HIV-1 adaptation to HLA-restricted immune responses at a popu-
lation level. Science 296(5572):1439–1443.
21
,
22
,
23
,
24
,
27
,
29
,
56
,
63
,
65
,
84
,
85
,
86
,
87
,
90
,
93
,
95
,
102
,
113
,
114
,
115
,
116

174
[158] Muse SV (1995). Evolutionary analyses of DNA sequences subject to constraints
of secondary structure. Genetics 139(3):1429–1439.
10
,
13
,
16
,
89
[159] Neher E (1994). How frequent are correlated changes in families of protein
sequences?
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United
States of America 91(1):98–102.
11
[160] Nei M (1986).
Simple methods for estimating the numbers of synonymous
and nonsynonymous nucleotide substitutions. Molecular Biology and Evolution
3(5):418–426.
12
[161] News in Brief (2007). HIV vaccine failure prompts merck to halt trial. Nature
449(7161):390.
19
[162] Ngumbela K, Day C, Mncube Z, Nair K, Ramduth D, Thobakgale C, Moodley
E, Reddy S, de Pierres C, Mkhwanazi N, Bishop K, van der Stok M, Ismail
N, Honeyborne I, Crawford H, Kavanagh D, Rousseau C, Nickle D, Mullins
J, Heckerman D, Korber B, Coovadia H, Kiepiela P, Goulder P and Walker
B (2008). Targeting of a CD8 T cell env epitope presented by HLA-B*5802
is associated with markers of HIV disease progression and lack of selection
pressure. AIDS Research and Human Retroviruses 24(1):72–82.
116
[163] Nickle DC, Jensen MA, Gottlieb GS, Shriner D, Learn GH, Rodrigo AG, Mullins
JI, Gao F, Bhattacharya T, Gaschen B, Taylor J, Moore JP, Novitsky V, Yusim
K, Lang D, Foley B, Beddows S, Alam M, Haynes B, Hahn BH and Korber B
(2003). Consensus and ancestral state HIV vaccines. Science 299(5612):1515c–
1518.
28
[164] Nickle DC, Rolland M, Jensen MA, Pond S, Deng W, Seligman M, Heckerman
D, Mullins JI and Jojic N (2007). Coping with viral diversity in HIV vaccine
design. PLoS Computational Biology 3(4):e75.
28

175
[165] Nielsen R and Yang Z (1998). Likelihood models for detecting positively se-
lected amino acid sites and applications to the HIV-1 envelope gene. Genetics
148(3):929–936.
12
[166] Nietfeld W, Bauer M, Fevrier M, Maier R, Holzwarth B, Frank R, Maier B,
Riviere Y and Meyerhans A (1995). Sequence constraints and recognition by
CTL of an HLA-B27-restricted HIV-1 Gag epitope. The Journal of Immunology
154(5):2189–97.
104
[167] Nodelman U, Shelton C and Koller D (2005). Expectation maximization and
complex duration distributions for continuous time bayesian networks. In Pro-
ceedings of the 21th Annual Conference on Uncertainty in Artificial Intelligence,
UAI Press, pp. 431–44.
49
,
192
,
193
[168] Noivirt O, Eisenstein M and Horovitz A (2005). Detection and reduction of
evolutionary noise in correlated mutation analysis. Protein Engineering Design
and Selection 18(5):247–253.
10
[169] Nordborg M, Borevitz JO, Bergelson J, Berry CC, Chory J, Hagenblad J, Kre-
itman M, Maloof JN, Noyes T, Oefner PJ, Stahl EA and Weigel D (2002).
The extent of linkage disequilibrium in Arabidopsis thaliana. Nature Genetics
30(2):190–193.
59
[170] Olmea O, Rost B and Valencia A (1999). Effective use of sequence correlation
and conservation in fold recognition. Journal of Molecular Biology 293(5):1221–
1239.
[171] Pagel M (1994).
Detecting correlated evolution on phylogenies: a general
method for the comparative analysis of discrete characters. Philosophical Trans-