Evolution of swine influenza virus associated with vaccination

Abstract

El virus de la Influenza A (IAV) és un patogen mundialment distribuït que pot infectar a una varietat d’espècies d’aus i de mamífers, inclosos porcs i humans. Es tracta d’un virus d’ARN de cadena negativa, el genoma del qual està fragmentat en 8 segments codificant les polimerases (PB2, PB1 i PA), l’hemaglutinina (HA), la nucleoproteïna (NP), la neuraminidasa (NA), la proteïna de la matriu (M) i les proteïnes no estructurals (NS). La polimerasa del IAV, com la d’altres virus d’ARN, es caracteritza per la seva baixa fidelitat durant la replicació, que fa que s’acumulin moltes mutacions en el genoma en una curta escala temporal. D’altra banda, el caràcter segmentat del genoma facilita l’intercanvi de segments entre subtipus vírics quan ambdós coinfecten una mateixa cèl·lula hoste. Aquests mecanismes genètics són una font de diversitat genètica elevada que atorga al virus molta plasticitat en ambients canviants. L’evolució del virus fa que aquest adquireixi nous perfils antigènics, el que desemboca en grips estacionals endèmiques i pandèmiques. L’última grip pandèmica de IAV es va produir l’any 2009, quan el virus A(H1N1)pdm09 d’origen porcí, que contenia segments genòmics aviaris, humans i porcins, va emergir a Amèrica i ràpidament es va estendre mundialment entre la població humana. En aquell moment es va reforçar la teoria de que els porcs juguen un paper clau en l’adaptació de IAVs aviaris a humans, ja que poden ser infectats per ambdós. Actualment hi ha 3 subtipus dominants del virus de la grip porcina (SIV): H1N1, H3N2 i H1N2. L’estratègia més utilitzada per controlar el SIV a Europa és l’aplicació de vacunes trivalents, encara que la immunitat generada no és completa. Això provoca que la protecció conferida no sigui esterilitzant, pel que el virus pot replicar i conseqüentment evolucionar generant variants de fuga vacunal. Per tant, el SIV suposa una amenaça contínua per la sanitat animal i humana, ja que la seva evolució pot afectar la seva antigenicitat, rang d’hoste, virulència, resistència antiviral i patogènesis. Degut a aquests antecedents, en la present tesi doctoral s’ha estudiat la dinàmica evolutiva de les poblacions del SIV en model porcí amb immunitat preexistent contra el virus mitjançant tecnologia de seqüenciació massiva. El primer estudi avalua l’evolució del virus Eurasian (EA) “avian-like” H1N1 en animals vacunats i no vacunats, i es va trobar que la selecció positiva juga un paper important en l’evolució del virus en animals vacunats, detectant variants importants en el gen de la HA, la NS1 i la NP. En el segon estudi, s’analitza l’evolució del virus “human-like” H3N2 en animals vacunats i no vacunats que prèviament s’havien recuperat d’una infecció natural inesperada amb el virus A(H1N1)pdm09. Els virus aïllats d’animals vacunats van mostrar proporcionalment més substitucions tant en el gen de la HA com en el de la NA. En l’últim capítol, s’ha estudiat el paper que pot tenir la vacunació en el reordenament genètic i l’aparició de mutacions puntuals durant una coinfecció experimental amb EA “avian-like” H1N1 i “human-like” H3N2. Els resultats mostren que la possibilitat de reordenament és major en animals que no han estat vacunats. D’altra banda, trobem una major diversificació genètica en el subtipus H1N1 en animals vacunats, reportant substitucions en els gens de la HA i la NA que podrien jugar un paper important en l’evasió de la resposta immunitària. Els resultats obtinguts en la present tesi doctoral corroboren l’enorme capacitat de canvi que té el SIV. Els diferents patrons evolutius del SIV trobats en animals vacunats i no vacunats ens atorguen una visió més completa sobre les seves dinàmiques evolutives.

El virus de la Influenza A (IAV) es un patógeno mundialmente distribuido que puede infectar a multitud de especies de aves y de mamíferos, incluidos cerdos y humanos. Se trata de un virus de ARN cadena negativa, cuyo genoma está fragmentado en 8 segmentos; las polimerasas (PB2, PB1 y PA), la hemaglutinina (HA), la nucleoproteína (NP), la neuraminidasa (NA), la matriz (M) y el segmento que codifica para las proteínas no estructurales (NS). La polimerasa del IAV, como la de otros virus de RNA, se caracteriza por su baja fidelidad durante la replicación, que hace que se acumulen muchas mutaciones en el genoma de IAV en una escala temporal corta. Además, se pueden producir intercambios de segmentos entre distintos subtipos cuando simultáneamente coinfectan al mismo huésped. Estos mecanismos genéticos son una fuente de diversidad genética elevada, que otorga al virus mucha plasticidad ante ambientes cambiantes. La evolución del virus puede hacer que estos adquieran nuevos perfiles antigénicos, no siendo reconocidos por la inmunidad previa existente, generando gripes estacionales endémicas y pandémicas. En el año 2009, la cepa de origen porcina A(H1N1)pdm09 que contenía segmentos de virus humanos, aviares y porcinos, causó la última pandemia de gripe en humanos. Reforzándose la teoría de que los cerdos juegan un papel clave en la adaptación de IAVs aviares a humanos, ya que pueden ser infectados por ambos. Actualmente hay 3 subtipos dominantes del virus de la gripe porcina (SIV): H1N1, H3N2 y H1N2. La estrategia más usada para controlar el SIV en Europa es la aplicación de vacunas trivalentes, aunque la inmunidad generada no es completa. Esto provoca que la protección conferida no sea esterilizante, por lo que el virus puede replicar y por ende evolucionar generando variantes de escape vacunal Por lo tanto, el SIV supone una amenaza continua para la sanidad animal y humana, ya que su evolución puede afectar su antigenicidad, rango de huésped, virulencia, resistencia antiviral y patogénesis. Debido a todos estos antecedentes, en la presente tesis doctoral se ha estudiado la dinámica evolutiva de las poblaciones víricas del SIV en modelo porcino con inmunidad preexistente contra el virus mediante tecnología de secuenciación masiva. El primer estudio evalúa la evolución del virus H1N1 Eurasian “avian-like” (EA) en animales vacunados y no vacunados, y se encontró que la selección positiva juega un papel importante en la evolución del virus en animales vacunados, detectando mutaciones importantes en la HA, la NS1 y la NP. En el segundo estudio, se analiza la evolución del virus H3N2 “human-like” en animales vacunados y no vacunados que previamente se habían recuperado de una infección natural inesperada con el virus A(H1N1)pdm09. En ambos escenarios la selección natural esta influenciando la evolución del virus, encontrando proporcionalmente más substituciones no sinónimas en la HA y la NA en virus recuperados de animales vacunados. En el último capítulo, se ha estudiado el papel que puede tener la vacunación en el reordenamiento y la deriva genética del virus durante una coinfección experimental con H1N1 EA y H3N2 “human-like”. Los resultados muestran que la posibilidad de reordenamiento es mayor en animales que no han sido vacunados. Por otro lado, encontramos una mayor diversificación genética en el subtipo H1N1 en animales vacunados, reportando substituciones en los genes dela HA y la NA que podrían jugar un papel importante en la evasión de la respuesta inmune. Los resultados obtenidos en la presente tesis doctoral corroboran la enorme capacidad de mutación y adaptación que tiene el SIV. Los diferentes patrones evolutivos encontrados en animales vacunados y no vacunados nos otorgan una visión más completa sobre las dinámicas evolutivas del mismo.

Influenza A virus (IAV) is a worldwide distributed pathogen able to infect many species of avian and mammals, including humans and pigs. Its genome is characterized by having 8 RNA negative sense segments: the polymerases (PB2, PB1, and PA), the hemagglutinin (HA), the nucleoprotein (NP), the neuraminidase (NA), matrix (M), and the segment that code for the non-structural proteins (NS). IAV polymerases, such as other RNA viruses, have a low proofreading activity, thus virus genome accumulates a great deal of point mutation on a short time scale. Besides, genomic reassortment events are feasible when two different IAV subtypes simultaneously coinfect the same host. These genetic mechanisms are a source of high genetic diversity, which provides plasticity to the virus, being able to quickly adapt in changing environments. Virus evolution can make that virus achieve new antigenic patterns, being no longer recognized by the previous host immunity, generating seasonal epidemic and pandemic IAVs. In 2009 a swine-origin A(H1N1)pdm09 strain arose, harbouring swine, human and avian influenza segments, and caused the last IAV pandemic. This outbreak, highlighted the hypothesis of pigs as “mixing vessels”, playing an important role in the adaptation of avian viruses to humans, as pigs could be infected by both IAVs. Currently, there are 3 dominant subtypes of swine influenza virus (SIV) circulating in pigs: H1N1, H3N2, and H1N2. To control SIV, the most widely used strategy in Europe, although limited, is the application of trivalent vaccines. The immunity provided by this vaccine is not complete, allowing virus replication and hence evolving, which could generate escape mutants. Therefore, SIV poses a continuous threat to both, animal and human health, since its evolution can affect its antigenicity, host range, virulence, antiviral resistance, and pathogenesis. Due to all these antecedents, in this doctoral thesis, the evolutionary dynamics of SIV viral populations have been studied in a pig model with pre-existing immunity against the virus by next sequencing technology. The first study evaluates the evolution of the Eurasian “avian-like” (EA) H1N1 virus in vaccinated and nonvaccinated animals. Positive selection was the main evolution force detected in samples collected from vaccinated animals, where important mutations were reported in HA, NS1, and NP. In the second study, the evolution of the “human-like” H3N2 virus was analyzed in vaccinated and nonvaccinated animals that had previously recovered from an unexpected natural infection with the A(H1N1)pdm09 virus. In both scenarios, natural selection was influencing virus evolution, finding proportionally more nonsynonymous substitutions in HA and NA in viruses recovered from vaccinated animals. In the last chapter, the impact of the vaccine on genome reassortment and genetic drift during an experimental coinfection with H1N1 EA and H3N2 “human-like” has been studied. Results showed a minor possibility of reassortment events in vaccinated animals. On the other hand, the greatest genetic diversification was detected in H1N1 subtype in vaccinated animals, reporting substitutions that may play an important role in the evasion of the immune response in the HA and NA. The results obtained in this doctoral thesis corroborate the enormous capacity of mutation and adaptation of SIV. Different evolutionary patterns found in vaccinated and nonvaccinated animals were detected, providing a novel insight of SIV evolution under different scenarios.