Influence of mosquito-virus interaction on Zika virus and Rift Valley fever phlebovirus transmission

Abstract

Les malalties transmeses per vectors representen un alt percentatge de les malalties infeccioses en el món. Concretament, les malalties causades per arbovirus (arthropod-born viruses), que circulen en la naturalesa entre artròpodes (els seus vectors), i els hostes vertebrats (els seus reservorios), poden causar malalties greus en els hostes vertebrats, però no causen una patologia significativa en els vectors. Durant dècades les malalties causades per arbovirus van ser oblidades, ja que en la seva gran majoria estaven localitzades en zones en vies de desenvolupament. En l'actualitat, factors ambientals, ecològics i socioeconòmics, com el canvi climàtic i la globalització, han contribuït a l'emergència i reemergencia de les malalties arbovirales. El constant moviment de persones i mercaderies ha donat lloc a la colonització i establiment d'espècies d'exòtiques al nostre país, com el mosquit tigre (Aedes albopictus), el qual és transmissor de molts arbovirus (e.g. el virus del dengue, el virus Zika (ZIKV) o el virus chikungunya). El desenvolupament d'aquesta tesi es va centrar en realitzar estudis de competència vectorial per al ZIKV i en un estudi del transcriptoma de Culex pipiens després de ser exposat al phlebovirus de la febre de la Vall del Rift (RVFV) per a comprendre les interaccions el virus i els mosquits locals.

Els capítols I i II es van focalitzar a estimar la competència vectorial per a ZIKV de diferents espècies de mosquits de camp presents al nostre país: Aedes albopictus, Aedes caspius i Culex pipiens. A més, es van desenvolupar experiments de transmissió vertical per a determinar si la generació de mosquits provinents de femelles infectades amb el ZIKV és capaç de disseminar-ho. Durant el desenvolupament d'aquests estudis, s'ha demostrat que els mosquits locals de l'espècie Ae. albopictus són vectors competents per al ZIKV. No obstant això, les espècies Cx. pipiens i Ae. caspius són refractàries per a aquest arbovirus. Respecte a l'experiment de transmissió vertical, es va demostrar que la progènie de les femelles inoculades amb el virus de manera intratoràcica va ser susceptible a la infecció del virus, però no van ser capaços de disseminar-lo.

D'altra banda, el capítol III es va centrar en l'estudi de les interaccions a nivell molecular entre l'espècie de mosquit Cx. pipiens i RVFV, amb l'objectiu caracteritzar les alteracions a nivell molecular de l'expressió dels gens corresponents al sistema immune del mosquit durant la infecció per RVFV mitjançant una anàlisi del transcriptoma de novo. Com a resultat, es van obtenir 48 gens diferencialment expressats en els mosquits davant la presència del virus que servir de diana per a controlar la infecció, ja sigui per a desequilibrar la tolerància dels mosquits al virus com per a inhibir la infecció en els mosquits. Els resultats obtinguts de l'estudi de les alteracions del transcriptoma de mosquits de l'espècie Cx. pipiens exposats a RVFV estableixen les bases per a la realització de futurs estudis funcionals dels gens involucrats a controlar/permetre la infecció per RVFV.

En el seu conjunt, el desenvolupament d'aquesta tesi incrementa el coneixement per a millorar el disseny d'estratègies eficients per a la vigilància de vectors transmissors del ZIKV i del RVFV.

Las enfermedades transmitidas por vectores representan un alto porcentaje de las enfermedades infecciosas en el mundo. Concretamente, las enfermedades causadas por arbovirus (arthropod-borne viruses), que circulan en la naturaleza entre artrópodos (sus vectores), y los hospedadores vertebrados (sus reservorios), pueden causar enfermedades graves en los hospedadores vertebrados, pero no causan una patología significativa en los vectores. Durante décadas las enfermedades causadas por arbovirus fueron olvidadas, ya que en su gran mayoría estaban localizadas en zonas en vías de desarrollo. En la actualidad, factores ambientales, ecológicos y socioeconómicos, como el cambio climático y la globalización, han contribuido a la emergencia y reemergencia de las enfermedades arbovirales. El constante movimiento de personas y mercancías ha dado lugar a la colonización y establecimiento de especies de exóticas en nuestro país, como el mosquito tigre (Aedes albopictus), el cual es transmisor de muchos arbovirus (e.g. el virus del dengue, el virus Zika (ZIKV) o el virus chikungunya). El desarrollo de esta tesis se centró en realizar estudios de competencia vectorial para el ZIKV y en un estudio del transcriptoma de Culex pipiens después de ser expuesto al phlebovirus de la fiebre del Valle del Rift (RVFV) para comprender las interacciones el virus y los mosquitos locales.

Los capítulos I y II se focalizaron en estimar la competencia vectorial para ZIKV de diferentes especies de mosquitos de campo presentes en nuestro país: Aedes albopictus, Aedes caspius y Culex pipiens. Además, se desarrollaron experimentos de transmisión vertical para determinar si la generación de mosquitos provenientes de hembras infectadas con el ZIKV es capaz de diseminarlo. Durante el desarrollo de estos estudios, se ha demostrado que los mosquitos locales de la especie Ae. albopictus son vectores competentes para el ZIKV. Sin embargo, las especies Cx. pipiens y Ae. caspius son refractarias para este arbovirus. Con respecto al experimento de transmisión vertical, se demostró que la progenie de las hembras inoculadas con el virus de forma intratorácica fue susceptible a la infección del virus, pero no fueron capaces de diseminarlo.

Por otro lado, el capítulo III se centró en el estudio de las interacciones a nivel molecular entre la especie de mosquito Cx. pipiens y RVFV, con el objetivo caracterizar las alteraciones a nivel molecular de la expresión de los genes correspondientes al sistema inmune del mosquito durante la infección por RVFV mediante un análisis del transcriptoma de novo. Como resultado, se obtuvieron 48 genes diferencialmente expresados en los mosquitos ante la presencia del virus que servir de diana para controlar la infección, ya sea para desequilibrar la tolerancia de los mosquitos al virus como para inhibir la infección en los mosquitos. Los resultados obtenidos del estudio de las alteraciones del transcriptoma de mosquitos de la especie Cx. pipiens expuestos a RVFV sientan las bases para la realización de futuros estudios funcionales de los genes involucrados en controlar/permitir la infección por RVFV.

En conjunto, el desarrollo de esta tesis incrementa el conocimiento para mejorar el diseño de estrategias eficientes para la vigilancia de vectores transmisores del ZIKV y del RVFV.

Vector-borne diseases represent a 17 % of infectious diseases in the world. Among them, those diseases caused by arboviruses (arthropod-borne viruses), which circulate in the nature between arthropods (their vectors) and vertebrate hosts (their reservoirs), are currently provoking serious diseases in humans and animals. For decades, the arboviral diseases were neglected, since most of them were located in developing areas. Nowadays, environmental, ecological and socioeconomic factors (e.g., globalization and climate change) have contributed to the emergence and re-emergence of arboviral diseases. The constant movement of people and merchandise has allowed the colonization and establishment of exotic mosquito species in our country such as the tiger mosquito (Aedes albopictus), which is a potential vector of many arboviruses (e.g., dengue virus, Zika virus or chikungunya virus). This thesis focused on conducting vector competence and transmission studies in local mosquito species for Zika virus (ZIKV) and on the study of the Culex pipiens transcriptome alteration after being exposed to the Rift Valley fever phlebovirus (RVFV) in order to better understand how virus-vector interaction influences on ZIKV and RVFV transmission.

Chapters I and II focused on estimating the vector competence for ZIKV of different field-collected mosquito species present in our country: Aedes albopictus, Aedes caspius and Culex pipiens. In addition, vertical transmission studies were performed to determine if the progeny of females infected with ZIKV were able to disseminate the virus. The results of these studies showed that local populations of Ae. albopictus were competent vectors for ZIKV and Cx. pipiens and Ae. caspius species were refractory for this arbovirus. Moreover, it was demonstrated that ZIKV was able to be transmitted to the progeny but the later could not disseminate the virus.

Chapter III focused on the study of interactions between the Cx. pipiens mosquito species and RVFV at molecular level, with the aim to characterize the alterations in the expression of the mosquito genes related to the immune system during RVFV infection by analyzing de novo transcriptome. As a result, 48 immune differentially expressed genes in mosquitoes exposed to RVFV were altered, which could serve as potential targets to control the infection, either by unbalancing the mosquito tolerance to RVFV or by inhibiting the infection in mosquitoes. The results obtained on the Cx. pipiens transcriptome alterations due to exposure to RVFV pave the way for future functional studies about genes involved in the control/tolerance of RVFV infection.

Overall, this thesis increased the knowledge to better design efficient strategies for ZIKV and RVFV surveillance and control.