sh.sePublications
Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Tick-borne encephalitis virus sequenced directly from questing and blood-feeding ticks reveals quasispecies variance.
Södertörn University, School of Natural Sciences, Technology and Environmental Studies, Biology.
Södertörn University, School of Natural Sciences, Technology and Environmental Studies, Biology.
Show others and affiliations
2014 (English)In: PLoS ONE, ISSN 1932-6203, E-ISSN 1932-6203, Vol. 9, no 7, e103264- p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

The increased distribution of the tick-borne encephalitis virus (TBEV) in Scandinavia highlights the importance of characterizing novel sequences within the natural foci. In this study, two TBEV strains: the Norwegian Mandal 2009 (questing nymphs pool) and the Swedish Saringe 2009 (blood-fed nymph) were sequenced and phylogenetically characterized. Interestingly, the sequence of Mandal 2009 revealed the shorter form of the TBEV genome, similar to the highly virulent Hypr strain, within the 3' non-coding region (3'NCR). A different genomic structure was found in the 3'NCR of Saringe 2009, as in-depth analysis demonstrated TBEV variants with different lengths within the poly(A) tract. This shows that TBEV quasispecies exists in nature and indicates a putative shift in the quasispecies pool when the virus switches between invertebrate and vertebrate environments. This prompted us to further sequence and analyze the 3'NCRs of additional Scandinavian TBEV strains and control strains, Hypr and Neudoerfl. Toro 2003 and Habo 2011 contained mainly a short (A)3C(A)6 poly(A) tract. A similar pattern was observed for the human TBEV isolates 1993/783 and 1991/4944; however, one clone of 1991/4944 contained an (A)3C(A)11 poly(A) sequence, demonstrating that quasispecies with longer poly(A) could be present in human isolates. Neudoerfl has previously been reported to contain a poly(A) region, but to our surprise the re-sequenced genome contained two major quasispecies variants, both lacking the poly(A) tract. We speculate that the observed differences are important factors for the understanding of virulence, spread, and control of the TBEV.

Place, publisher, year, edition, pages
2014. Vol. 9, no 7, e103264- p.
Keyword [en]
polyadenylic acid, 3' non coding region, adult, article, controlled study, gene sequence, gene structure, gene switching, genetic variability, invertebrate, Ixodes ricinus, nonhuman, nucleotide sequence, nymph, phylogeny, Tick borne encephalitis flavivirus, vertebrate, virus genome, virus strain, virus virulence
National Category
Biological Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:sh:diva-24381DOI: 10.1371/journal.pone.0103264ISI: 000341354800074PubMedID: 25058476ScopusID: 2-s2.0-84904787606OAI: oai:DiVA.org:sh-24381DiVA: diva2:739004
Funder
The Foundation for Baltic and East European StudiesKnowledge Foundation
Available from: 2014-08-19 Created: 2014-08-18 Last updated: 2016-11-16Bibliographically approved
In thesis
1. Ticks and Tick-borne Encephalitis Virus: From nature to infection
Open this publication in new window or tab >>Ticks and Tick-borne Encephalitis Virus: From nature to infection
2016 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Vector-borne diseases are an increasing global threat to humans due to climate changes, elevating the risk of infections transmitted by mosquitos, ticks, and other arthropod vectors. Ixodes ricinus, a common tick in Europe, transmits dangerous tick-borne pathogens to humans. Tick-borne encephalitis (TBE) is a vector-borne disease caused by TBE virus (TBEV). Climate change has contributed to increased tick abundance and incidence of tick-borne diseases, and between 10,000 and 15,000 human TBE cases are reported annually in Europe and Asia. TBEV shows a patchy geographical distribution pattern where each patch represents a natural focus. In nature, TBEV is maintained within the tick-rodent enzootic cycle. Co-feeding is the main route for TBEV transmission from infected to uninfected ticks and for maintenance within the natural foci. The increasing number of TBE cases in Scandinavia highlights the importance of characterizing additional TBEV sequences and of identifying novel natural foci, and in this work we sequenced and phylogenetically characterized four TBEV strains: Saringe-2009 (from a blood-fed nymph), JP-296 (from a questing adult male), JP-554 (from a questing adult male), and Mandal-2009 (from a pool of questing nymphs, n = 10). Mandal-2009 represents a TBEV genome from a natural focus in southern Norway. Saringe-2009 is from a natural endemic focus in northern Stockholm, Sweden, and JP-296 and JP-554 originate from a natural focus “Torö” in southern Stockholm. In addition, we have studied the effect of different biotic and abiotic factors on population dynamics of I. ricinus in southern Stockholm and observed significant spatiotemporal variations in tick activity patterns. Seasonal synchrony of immature stages and total tick abundance are important factors for the probability of horizontal transmission of TBEV among co-feeding ticks. We found that the probability of co-occurrence of larvae, nymphs, and female adults was highest during early summer whereas increasing vegetation height and increasing amounts of forest and open water around the study sites had a significant negative effect on co-occurrence of larvae, nymphs, and female adults.

The proximal part of the 3 ́non-coding region (3 ́NCR) of TBEV contains an internal poly(A) tract, and genomic analysis of Saringe-2009 revealed variability in the poly(A) tract indicating the existence of different variants within the TBEV pool of Saringe-2009. Like other RNA viruses, TBEV exists as swarms of unique variants called quasispecies. Because Saringe-2009 came from an engorged nymph that had been feeding on blood for >60 h, we propose that Saringe-2009 represents a putative shift in the TBEV pool when the virus switches from ectothermic/tick to endothermic/mammalian environments. We investigated the role of poly(A) tract variability in replication and virulence of TBEV by generating two infectious clones of the TBEV strain Toro-2003, one with a short/wild-type (A)3C(A)6 poly(A) tract and one with a long (A)3C(A)38 poly(A) tract. The infectious clone with the long poly(A) tract showed poor replication in cell culture but was more virulent in C57BL/6 mice than the wild-type clone. RNA folding predictions of the TBEV genomes suggested that insertion of a long poly(A) tract abolishes a stem loop structure at the beginning of the 3 ́NCR. Next generation sequencing (NGS) analysis of the TBEV genomes after passaging in cell culture and/or mouse brain revealed molecular determinants and quasispecies structure that might contribute to the observed differences in virulence. Our findings suggest that the long poly(A) tract imparts instability to the TBEV genome resulting in higher quasispecies diversity that in turn contributes to TBEV virulence. Phylogenetic analysis of Saringe-2009, JP-296, JP-554, and Mandal-2009 predicted a strong evolutionary relationship among the four strains. They clustered with Toro-2003, the first TBEV strain from Torö, demonstrating a Scandinavian clade. Except for the proximal part of the 3 ́NCR, TBEV is highly conserved in its genomic structure. Genomic analysis revealed that Mandal-2009 contains a truncated 3 ́NCR similar to the highly virulent strain Hypr, whereas JP-296 and JP-554 have a genomic organization identical to Toro-2003, the prototypic TBEV strain from the same natural focus. NGS revealed significantly higher quasispecies diversity for JP-296 and JP-554 compared to Mandal-2009. In addition, single nucleotide polymerphism (SNP) analysis showed that 40% of the SNPs were common between quasispecies populations of JP-296 and JP-554, indicating the persistence and maintenance of TBEV quasispecies within the natural focus.

Taken together, these findings indicate the importance of environmental factors for the occurrence pattern of the different life-stages of the tick vector, which are important for the persistence of TBEV in nature. Our findings also show that the selection pressure exerted by specific host also affects the population structure of the TBEV quasispecies. In addition, our results further demonstrate that the evolution of quasispecies has effect on TBEV virulence in mice.

Abstract [sv]

Vektorburna sjukdomar är ett växande globalt hot mot både människor och djur. De pågående klimatförändringarna kan leda till förhöjda risker för infektioner överförda av myggor, fästingar och andra leddjursvektorer. Ixodes ricinus är en vanlig fästing i Europa som överför fästingburna patogener som är farliga för människor. Fästingburen encefalit (TBE) är en vektorburen sjukdom som orsakas av TBE-virus (TBEV). De pågående klimatförändringarna har bidragit till en ökning både av vektorn och sjukdomsfrekvensen. Mellan 10 000 och 15 000 mänskliga TBE-fall rapporteras årligen i Europa och Asien. Den geografiska fördelningen av TBEV visar ett ojämnt fördelningsmönster där viruset är koncentrerat till vissa fokusområden. TBEV återfinns i naturen i en livscykel där viruset hela tiden överförs mellan fästingar och däggdjur. Spridningen sker dels från en infekterad fästing till ett ryggradsdjur när fästingen äter på värddjuret. Spridning mellan fästingar sker troligen främst genom så kallad “co-feeding”, det vill säga att flera fästingar suger blod samtidigt från samma värddjur. Viruset kan då passera från en infekterad fästing, genom värddjuret till oinfekterade fästingar.

Virus kan identifieras och studeras med genetiska metoder. Det ökande antalet TBE-fall i Skandinavien styrker vikten av att hitta och karakterisera ytterligare TBEV-stammar och identifiera nya naturliga fokusområden. Vi har sekvenserat och fylogenetiskt beskrivit fyra TBEV-stammar: Saringe-2009 (blodfylld nymf), JP-296 (födosökande vuxen hane), JP-554 (födosökande vuxen hane) och Mandal-2009 (födosökande nymfer, n = 10). Mandal-2009 är ett TBEV från ett naturligt fokusområde i södra Norge. Saringe-2009 kommer från ett naturligt fokusområde i norra Stockholms län, Sverige. JP-296 och JP-554 härstammar från Torö som är ett naturligt fokusområde i södra Stockholms län, Sverige.

Förutom den genetiska sekvenseringen av TBEV har vi också studerat effekten av olika biotiska och abiotiska faktorer på populationsdynamik av I. ricinus i södra Stockholm och observerade variation i fästingsaktivitetsmönster både temporalt och spatialt. Förekomstmönster av fästinglarver, nymfer och vuxna honor, och det totala antalet fästingar är viktiga faktorer för sannolikheten för horisontell överföring av TBEV mellan fästingar. Vi fann att sannolikheten för synkron förekomst av larver, nymfer och honor var högst under försommaren. Vegetationshöjd, mängden skog och mängd öppet vatten runt undersökningsområden hade signifikanta negativa effekter på sannolikheten för att larver, nymfer och honor skulle förekomma samtidigt.

Den variabla delen av den icke-kodande 3 ́regionen (3'NCR) av TBEV-genomet innehåller ofta en intern poly(A)-sekvens. Liksom andra RNA-virus, förekommer TBEV som så kallade ”quasispecies” vilka definieras som grupper av olika genetiska varianter av virus. Genom analysen av TBEV-stam Saringe-2009 avslöjades variation i poly(A)-sekvensen vilket indikerar förekomst av ”quasispecies”. Eftersom Saringe-2009 kom från en blodfylld nymf som hade sugit blod i > 60 timmar, föreslår vi att Saringe-2009 visar en förändring i ”quasispecies”-poolen när viruset överförs från exoterm fästingmiljö till endoterm däggdjursmiljö. Vi undersökte poly(A)-ekvensens variabilitet och dess roll vid replikering och för virulens hos TBEV, genom att skapa två infektiösa kloner av Torö-2003 stammen; en med en kort/vild-typ (A)3C(A)6 poly(A)-sekkvens, och en med en lång (A)3C(A)38 poly(A)-sekvens. Den infektiösa klonen med lång poly(A)-sekvens replikerade sämre än vildtypklonen i cellkultur, men (A)3C(A)38 poly(A) var mer virulent i C57BL/6-möss än (A)3C(A)6 poly(A). Datasimulering av TBEV-genomets sekundär-RNA-struktur visade att de längre poly(A)-sekvenserna påverkar veckningen av en specifik sekundärstruktur (SL14) i början av 3 ́NCR. Djupsekvenseringsanalys av TBEV-gnomen avslöjade skillnader för specifika gener och ”quasispecies”-strukturen efter passering i cellkultur och/eller mushjärna. Dessa förändringar föreslås bidra till de observerade skillnaderna i virulens. Våra resultat indikerar att den långa poly(A)-sekvensen ger instabilitet i TBEV-genomet, vilket resulterar i ökad mångfald av ”quasispecies”-populationen som i sin tur kan bidra till TBEV-virulens.

Fylogenetisk analys av Saringe-2009, JP-296, JP-554 och Mandal-2009 visade på ett nära släktskap mellan de fyra skandinaviska TBEV-stammarna. De nya stammarna formerade ett kluster med en tidigare TBEV-stam identifierad på Torö (Toro-2003), vilket skapade ett skandinaviskt klad. Genetisk analys visade att Mandal-2009 innehåller en trunkerad 3 ́NCR som liknar den högvirulenta stammen HYPR. JP-296 och JP-554 hade däremot samma genetiska struktur som den längre Torö-2003 stammen från samma fokusområde. Djupsekvensering visade höge mångfald av ”quasispecies”-populationen för JP-296 och JP- 554 jämfört med Mandal-2009. Analys av enkel nukleotid polymorfism (SNP) visade att 40 % av alla SNP var gemensamma mellan ”quasispecies”-populationen för JP-296 och JP-554. Detta indikerar att TBEV-”quasispecies”-strukturen kan vara konserverad för närbesläktade virus vilken kan leda till att den bevaras inom specifika fokusområden.

Sammantaget så visar dessa studier att miljöfaktorer påverkar förekomsten av fästingvektorn och dess olika livsstadier, vilket är en bakomliggande faktor för utbredning av TBEV i naturliga fokusområden. Det visar även på att värdmiljön påverkar strukturen för ”quasispecies”-populationen. Dessutom visar våra studier att evolution och utveckling av ”quasispecies”-strukturen kan påverka virulensen för TBEV i möss. 

Place, publisher, year, edition, pages
Huddinge: Södertörns högskola, 2016. 73 p.
Series
Södertörn Doctoral Dissertations, ISSN 1652-7399 ; 127
Keyword
Co-occurrence, Environmental factors, Flavivirus, Ixodes ricinus, Natural foci, Non-coding region, Poly(A) tract, Quasispecies, Questing ticks, Scandinavia, Tick-borne encephalitis virus, Vegetation.
National Category
Environmental Sciences
Research subject
Environmental Studies
Identifiers
urn:nbn:se:sh:diva-31153 (URN)978-91-87843-70-9 (ISBN)978-91-87843-71-6 (ISBN)
Public defence
2016-12-19, MA624, Alfred Nobels allé 7, Huddinge, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2016-11-25 Created: 2016-11-14 Last updated: 2016-11-25Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textPubMedScopus

Search in DiVA

By author/editor
Asghar, NaveedMelik, WessamJohansson, Magnus
By organisation
Biology
In the same journal
PLoS ONE
Biological Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

Altmetric score

Total: 117 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link