Microarray-based gene expression analysis in natural and experimental cases of porcine circovirus type 2 infection

Abstract

La presente Tesis se orientó a la caracterización molecular de la infección causada por PCV2 utilizando la tecnología de los microarrays. Este virus es el agente infeccioso esencial de la enfermedad sistémica (ES) por PCV2, una enfermedad de carácter multifactorial que afecta principalmente a cerdos en las fases de transición y engorde, y es una de las enfermedades porcinas más importantes económicamente a nivel mundial. La tecnología de los microarrays permite la determinación simultánea de los niveles de ARNm de miles de genes y ha sido utilizada en los últimos años para investigar los perfiles de expresión génica de tejidos y líneas celulares, ayudando a descifrar las interacciones huésped-patógeno que son relevantes para la patogénesis de varias enfermedades. Es por ello que esta Tesis se orientó a identificar genes y procesos biológicos implicados en la respuesta inmune de cerdos subclinicamente infectados por el PCV2 y también de animales naturalmente afectados por la ES-PCV2. La primera parte de esta Tesis consistió en un trabajo exploratorio dirigido a evaluar la utilidad de la plataforma Affymetrix Porcine GeneChip® para estudiar el perfil global del transcriptoma de lechones de la raza Duroc, derivados por cesárea y privados de calostro (DCPC), experimentalmente infectados por PCV2. A partir del análisis de los datos de los microarrays, se seleccionaron 25 y 33 genes que resultaron diferencialmente expresados (DE) entre los grupos control e inoculados con PCV2 en linfonodos mesentéricos y pulmones, respectivamente. La gran mayoría de los genes sobre-expresados en el grupo inoculado con PCV2 estaba relacionada a la respuesta inmune. Desde el punto de vista del transcriptoma, los animales inoculados con PCV2 fueron capaces de activar la respuesta mediada por células y desarrollar anticuerpos específicos para PCV2, hechos que se asocian a la generación de una infección subclínica. Los resultados de este trabajo indicaron que la técnica de los microarrays es una herramienta útil para el estudio de la patogénesis de la infección por el PCV2. El segundo estudio fue dirigido a caracterizar los mecanismos moleculares de la respuesta inmune que tienen lugar en las fases temprana y tardía de la infección subclínica por PCV2. Los genes sub-expresados en las muestras de linfonodo mediastínico (LM) se relacionaron principalmente a la adhesión celular y migración, lo que sugiere la participación de esos genes en los procesos inflamatorios observados en la infección por PCV2. La inmunidad innata se desarrolló en la primera semana p.i. y se demostró por la sobre-expresión de varios genes estimulados por interferón (ISGs) entre las muestras de LM y de sangre total (ST) de los animales inoculados con PCV2. También se detectó un aumento en la expresión de genes relacionados con la activación linfocitaria en la primera semana p.i. en las muestras de LM de los cerdos infectados, lo que indica la activación temprana de la respuesta adaptativa. Se obtuvieron resultados similares en las fases tardías de la infección, dada la sobre-expresión de los genes que codifican para el interferón (IFN)-γ y para la inmunoglobulina (Ig)-G en el día 29 p.i en las muestras de LM. El tercer estudio consistió en investigar los cambios globales en el transcriptoma de animales naturalmente afectados por ES-PCV2 y congéneres sanos. Tras los análisis de datos, se encontraron 366 tránscritos con significativa abundancia diferencial en el grupo de animales afectados por ES-PCV2 en relación al grupo control. Los resultados de este estudio identificaron mecanismos (daño mediado por el complemento e inmunosupresión) potencialmente involucrados en la inflamación y depleción linfocitaria en tejidos linfoides, características histopatológicas claves de la ES-PCV2.

This PhD Thesis aimed to characterize the molecular mechanisms underlying the porcine circovirus type 2 (PCV2) infection using the microarray technology. This virus is the essential infectious agent of PCV2- systemic disease (SD), a multifactorial condition that mainly affects nursery and growing pigs, and is considered one of the most economically important pig diseases worldwide. Microarray technology allows simultaneous measurement of the mRNA levels of thousands of genes and have been used during recent years to examine gene expression profiles of tissues or cell lines subjected to infection, helping to unravel host–pathogen interactions relevant to pathogenesis of a variety of diseases. Therefore, this Thesis aimed to identify genes and biological processes implicated in the immune response of pigs subclinically infected by PCV2 and also of animals naturally affected by PCV2-SD. In the study of this Thesis, an exploratory work was conducted to evaluate the technical feasibility of utilizing the Affymetrix Porcine GeneChip® platform to study the global transcriptional profile of caesarean-derived, colostrum-deprived (CDCD) Duroc piglets experimentally infected with PCV2. The microarray analysis detected 25 and 33 significantly differentially expressed (DE) between control and PCV2 groups for mesenteric lymph node and lung, respectively. Most up-regulated genes in PCV2 group were closely related to the immune response. From a transcriptional point of view, PCV2-inoculated pigs were able to activate a cell-mediated response and develop PCV2-specific antibodies, which probably led to a subclinical infection. The results from this study also indicate that a microarray-based approach is a helpful tool to better understand the pathogenesis of PCV2 infection. The second study was aimed to characterize the early and late molecular events underlying the immune response taking place during a subclinical PCV2 infection. Down-regulated genes from mediatinal lymph nodes (MLN) samples were mainly related to cell adhesion and migration, suggesting the participation of these genes in the inflammatory processes (granulomatous infiltration) observed in the PCV2 infection. Innate immunity developed within the first week post-infection (p.i.) and it was demonstrated by the up-regulation of several interferon-stimulated genes (ISGs) both in MLN and whole blood (LWB) samples from PCV2-infected pigs. An increased expression of genes related to lymphocyte activation was also detected during the first week p.i. in LWB samples of infected animals, indicating an early activation of adaptive responses. Similar results were obtained at late stages of infection by the up-regulation of genes coding for interferon (IFN)-γ and the immunoglobulin (Ig)-G at 29 days p.i. in MLN samples. The aim of the third study was to investigate the global transcriptional profile of MLNs from pigs naturally affected by PCV2-SD, as well as healthy counterparts. The microarray data analysis detected 366 transcripts with significant differential abundance in the PCV2-SD group of pigs relative to healthy animals. Results from this study identified potential mechanisms (complement mediated damage and immunosuppression) underlying the inflammation and lymphocyte depletion in lymphoid tissues, which are key features of PCV2-SD.