Interactions of avian influenza virus with the host and the environment

Abstract

En el primer estudi, hem analitzat les interaccions virus-hoste mitjançant una anàlisi RNA-Seq dual d’hoste i patogen utilitzant mostres de pollastres inoculats experimentalment amb dos ceps diferents del virus de la grip aviària d’alta patogenicitat. En primer lloc, hem classificat els pollastres inoculats com a resistents o susceptibles. A continuació, hem fet una anàlisi RNA-Seq des del costat del virus i de l’hoste. Del costat del virus, es van detectar pocs canvis a nivell de quasi-espècie, entre l’ inòcul original i els hisops orals al cap de tres dies post-inoculació en aus susceptibles. Aquests pocs canvis apuntaven a un cert grau d’adaptació viral per guanyar aptitud viral en aquests pollastres. Del costat de l’hoste, els pollastres susceptibles a la grip aviària altament patògena van mostrar enormes gens expressats diferencialment als 3 dpi, en canvi els pollastres resistents no ho van fer. Tot i això, es van identificar gens expressats diferencialment prometedors en pollastres resistents i susceptibles, que mostraven regulacions oposades entre ambdós resultats. Aquests gens expressats diferencialment estaven relacionats amb les cascades NF-ĸB i MAPK, mostrant un patró significatiu i distintiu. Van ser regulats a la baixa en els pollastres resistents en comparació dels pollastres de control, mentre que van ser regulats a l’alça en els pollastres susceptibles en comparació dels pollastres de control, cosa que suggereix un paper perjudicial d’aquestes vies si no es regulen de manera òptima. A més, ens centrem en un gen individual d’expressió diferencial: una serina proteasa anomenada PLAU, coneguda per convertir el plasminogen en plasmina. PLAU es va regular a la baixa als pollastres resistents i a l’alça als susceptibles, cosa que suggereix un paper de PLAU en el resultat dels pollastres contra els virus de la grip aviària altament patògena. La nostra hipòtesi és que aquest paper podria estar relacionat amb un augment de la síntesi de plasmina en pollastres susceptibles, augmentant, alhora, l’activació de l’hemaglutinina per infectar noves cèl·lules, i causant coagulopaties i trastorns inflamatoris relacionats amb la fibrinòlisi induïda per plasmina . Al segon estudi, analitzem la persistència d’un virus de la grip aviària de baixa patogenicitat a l’aigua, utilitzant corrents artificials que simulaven l’entorn on viuen i transmeten la malaltia els reservoris de la grip aviària, en climes mediterranis. La detecció de l’ARN viral mitjançant PCR quantitativa fou possible fins al final de l’experiment (15 dies). A més, els resultats de la PCR quantitativa van revelar que la combinació de sediments i aigua freda era la condició amb un efecte protector significativament més gran sobre l’ARN viral de la influença aviària de baixa patogenicitat. Tot i que la detecció d’ARN viral va ser alta, els resultats van mostrar temps de persistència infecciosa inferiors als altres procediments experimentals. Això suggeria que factors analitzats per primera vegada al nostre estudi, com l’efecte dels cicles dia/nit de la llum solar i el moviment de l’aigua, podrien estar relacionats amb aquestes diferències sorprenents. Tot i que es van detectar temps de persistència baixos, vam plantejar la hipòtesi que la transmissió en climes mediterranis encara pot ser possible, en aus silvestres que s’agrupen en aiguamolls específics durant períodes curts. A més, aquests resultats estaven relacionats amb les condicions ambientals reproduïdes als rierols artificials; si s’imitessin altres condicions, com les de latituds septentrionals, podrien haver-se obtingut resultats diferents, esperant-se temps de persistència més llargs a causa de les temperatures més baixes i la menor insolació durant l’estació hivernal. Aquesta dissertació va mostrar la importància d’utilitzar metodologies multidisciplinàries per desentranyar les interaccions complexes que els virus de la influença aviària tenen amb l’hoste i el medi ambient.

En el primer estudio, hemos analizado las interacciones virus-hospedador mediante un análisis RNA-Seq dual de hospedador y patógeno utilizando muestras de pollos inoculados experimentalmente con dos cepas diferentes del virus de la gripe aviar de alta patogenicidad. En primer lugar, hemos clasificado a los pollos inoculados como resistentes o susceptibles. A continuación, hemos realizado un análisis RNA-Seq desde el lado del virus y del huésped. Del lado del virus, se detectaron pocos cambios a nivel de cuasiespecie, entre el inóculo original y los hisopos orales a los tres días post-inoculación en aves susceptibles. Estos pocos cambios apuntaban a cierto grado de adaptación viral para ganar aptitud viral en estos pollos. Del lado del hospedador, los pollos susceptibles a la gripe aviar altamente patógena mostraron enormes genes expresados diferencialmente a los 3 dpi, en cambio los pollos resistentes no lo hicieron. No obstante, se identificaron genes expresados diferencialmente prometedores en pollos resistentes y susceptibles, que mostraban regulaciones opuestas entre ambos resultados. Estos genes expresados diferencialmente estaban relacionados con las cascadas NF-ĸB y MAPK, mostrando un patrón significativo y distintivo. Fueron regulados a la baja en los pollos resistentes en comparación con los pollos de control, mientras que fueron regulados al alza en los pollos susceptibles en comparación con los pollos de control, lo que sugiere un papel perjudicial de estas vías si no se regulan de manera óptima. Además, nos centramos en un gen individual de expresión diferencial: una serina proteasa llamada PLAU, conocida por convertir el plasminógeno en plasmina. PLAU se reguló a la baja en los pollos resistentes y al alza en los susceptibles, lo que sugiere un papel de PLAU en el resultado de los pollos contra los virus de la gripe aviar altamente patógena. Nuestra hipótesis es que este papel podría estar relacionado con un aumento de la síntesis de plasmina en pollos susceptibles, aumentando, a su vez, la activación de la hemaglutinina para infectar nuevas células, y causando coagulopatías y trastornos inflamatorios relacionados con la fibrinólisis inducida por plasmina. En el segundo estudio, analizamos la persistencia de un virus de la gripe aviar de baja patogenicidad en el agua, utilizando corrientes artificiales que simulaban el entorno donde viven y transmiten la enfermedad los reservorios de la gripe aviar, en climas mediterráneos. La detección del ARN viral mediante PCR cuantitativa fue posible hasta el final del experimento (15 días). Además, los resultados de la PCR cuantitativa revelaron que la combinación de sedimentos y agua fría era la condición con un efecto protector significativamente mayor sobre el ARN viral de la influenza aviar de baja patogenicidad. Aunque la detección de ARN viral fue alta, los resultados mostraron tiempos de persistencia infecciosa inferiores a los de otros procedimientos experimentales. Esto sugería que factores analizados por primera vez en nuestro estudio, como el efecto de los ciclos día/noche de la luz solar y el movimiento del agua, podrían estar relacionados con estas sorprendentes diferencias. Aunque se detectaron tiempos de persistencia bajos, planteamos la hipótesis de que la transmisión en climas mediterráneos todavía puede ser posible, en aves silvestres que se agrupan en humedales específicos durante periodos cortos. Además, estos resultados estaban relacionados con las condiciones ambientales reproducidas en los arroyos artificiales; si se imitaran otras condiciones, como las de latitudes septentrionales, podrían haberse obtenido resultados diferentes, esperándose tiempos de persistencia más largos debido a las temperaturas más bajas y a la menor insolación durante la estación invernal. La presente disertación mostró la importancia de utilizar metodologías multidisciplinarias para desentrañar las complejas interacciones que los virus de la influenza aviar tienen con el huésped y el medio ambiente.

In the first study, we analysed the viral-host interactions by means of a dual host and pathogen RNA-Seq analysis using samples from chickens experimentally inoculated with two different strains of high pathogenic avian influenza virus. First, we have classified the inoculated chickens as resistant or susceptible. Then, we performed an RNA-Seq analysis from the virus and the host side. From the virus side, few changes at the quasi-species level were detected, between the original inoculum and the oral swabs at three days post-inoculation in susceptible birds. These few changes pointed to some degree of viral adaptation to win viral fitness in these chickens. The results obtained from the viral-compartmentalization analysis suggest that stochastic founder events associated with multiple bottlenecks during avian influenza virus dissemination could impair viral diversity. While high pathogenic avian influenza susceptible chickens showed huge differential expressed genes at 3 dpi, compared to control chickens, resistant chickens did not. Nevertheless, promising differential expressed genes were identified in resistant and susceptible chickens, showing opposite regulations between the two outcomes. These differentials expressed genes were related to NF-ĸB and MAPK cascades, showing a significant and distinctive pattern. They were downregulated in resistant chickens compared to control chickens, while upregulated in susceptible chickens compared to control chickens, suggesting a detrimental role of these pathways if not optimally regulated. Furthermore, our focus was on an individual differential expressed gene; a serine protease named PLAU known to convert plasminogen into plasmin. PLAU was downregulated in resistant chickens and upregulated in susceptible ones, thus suggesting a role of PLAU in the chicken outcome against high pathogenic avian influenza viruses. We hypothesised that this role could be related to an increase in the synthesis of plasmin in susceptible chickens, increasing, in turn, the activation of the hemagglutinin to infect new cells, and causing coagulopathies and inflammatory disorders related to plasmin-induced fibrinolysis. In the second study, we analysed the persistence of a low pathogenic avian influenza virus in water, using artificial streams that simulated the environment where avian influenza reservoirs live and transmit the disease, in Mediterranean climates. Detection of viral RNA by quantitative PCR was possible until the end of the experiment (15 days). Moreover, quantitative PCR results revealed that the combination of sediments and cold water was the condition with a significantly higher protective effect on low pathogenic avian influenza viral RNA. Even though viral RNA detection was high, the results showed infectious persistence times lower than other experimental procedures. This suggested that factors analysed for the first time in our study, such as the effect of day/night cycles of sunlight and water movement, could be related to these striking differences. Although low persistence times were detected (maximum 2 days post spike), we hypothesise that transmission in Mediterranean climates can still be possible, in wild birds that aggregate at specific wetlands during short periods. Furthermore, these results were related to the environmental conditions reproduced in the artificial streams; if other conditions, such as those from northern latitudes, were mimicked, different results might have been obtained, with longer persistence times expected due to lower temperatures and lower insolation times during the winter season. The present dissertation showed the importance of using multidisciplinary methodologies to disentangle the complex interactions that avian influenza viruses have with the host and the environment.