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Identification and characterization of selected emerging and re-emerging avian and mammalian viruses

The current COVID-19 pandemic has unequivocally reminded us all, of the huge impact an emerging virus from an animal reservoir may have on human society. Indeed, past pandemics among humans have likely all been caused by emerging viruses originating from animal reservoirs, underscoring the relevance of the animal-human interface in this regard. Apart from the zoonotic and pandemic potential of an emerging or re-emerging virus, the effects on domestic and wildlife animal health, as well as the risks to our economy, animal welfare, and biodiversity, are often underestimated. Disease surveillance in animals and humans should therefore be implemented as a first line of defense for the early identification and characterization of viruses that may emerge and cause devastating consequences for human society, domestic animals and wildlife. In the last decade, next generation sequencing (NGS) has revolutionized the field of viral metagenomics, enabling the identification of ever-increasing numbers of previously unidentified viral sequences and genomes. In the scope of our ongoing virus discovery project, we have established several viral family-wide degenerate pan-family PCRs and have optimized our in-house NGS platform to rapidly identify and characterize emerging and re-emerging viruses from sample collections of domestic and wildlife animals, expected to harbor hitherto unknown viral pathogens.

In the herein thesis, five cases of viruses are presented, which were detected and characterized utilizing our virus discovery and surveillance pipeline, which combines classical virological assays, Illumina NGS and in silico molecular and phylogenetic characterization.

Firstly, the detection and characterization of a novel pestivirus, phocine pestivirus (PhoPev), among stranded porpoises off the Dutch coast of the North Sea, is presented. This virus proved to be evolutionary divergent to other pestiviruses and represents the first pestivirus detected in aquatic mammals. Subsequently, an outbreak of a Lagovirus europeus GI.2 (rabbit hemorrhagic disease virus 2) variant infection in captive mountain hares in Germany is discussed, which is the postulated result of a cross-species infection from diseased rabbits. Furthermore, a retrospective study of Usutu virus (USUV) emergence in avian species in Germany from 2011-2018 is presented. Complete genome phylogenetic characterization of USUV variants detected in a common blackbird and in a great grey owl, places the two contemporary variants in separate genetic lineages (Africa 2 and Europe 3, respectively). Next, we describe the full-length genome sequencing and molecular characterization of a bovine adenovirus 7 (BAdV7), detected in a Limousin calf. This study combines the description of complete pathology, full genome molecular characterization, and virus isolation of a contemporary European variant.

Lastly, this thesis puts particular focus on members of the genus Metapneumovirus. In the Introduction chapter, I have included a review discussing the evolutionary origins of human metapneumovirus (HMPV), a respiratory pathogen that causes substantial disease in children, immunocompromised individuals, and older adults. The thesis finishes with a  detailed depiction of the detection, complete phylogenetic, and protein analyses of an avian metapneumovirus subtype C (AMPV-C) in wild European Mallard ducks. This study indicates that mallards serve as a reservoir host to a virus that may represent a long-term threat to domestic poultry, due to the demonstrated etiological role of this virus subtype in acute respiratory disease and/or egg production drop in domestic turkeys, chickens, and ducks. Further studying the close relationship between HMPV and AMPV-C will provide us with important clues in our understanding of the postulated cross-species transmission event of this avian virus into the new human host. This information may be expected to provide us with tools for better human disease outbreak preparedness.   

In conclusion, this thesis is an example of how animal virus surveillance, discovery and characterization, paves the way for comparative virological and pathogenesis studies. Such studies will eventually lead to a better understanding of the close connectivity in the animal-human interface in the light of interspecies virus spillover events. This will eventually aid us to better manage or ultimately even prevent future disease outbreaks in humans and animals alike, resulting from interspecies virus transmission events.

 

 

Mit der aktuellen COVID-19-Pandemie wurden wir deutlich daran erinnert, welche Auswirkungen ein Virus auf die menschliche Gesellschaft haben kann, welches ursprünglich von einem Tier auf den Menschen übertragen wurde. Tatsächlich wurden viele vergangene Pandemien auf zoonotische Ursprünge zurückgeführt. In dieser Hinsicht wird die Bedeutung von Tier-Mensch-Schnittstellen in den Vordergrund gerückt.

Abgesehen von zoonotischen Potenzialen, werden die Konsequenzen von Tierseuchen weitgehend unterschätzt. Virusinfektionen bei Haus- und Wildtieren können enorme wirtschaftliche sowie ökologische Auswirkungen mit sich bringen.

Die Überwachung neuer und bekannter Infektionskrankheiten sollte daher als erste Maßnahme für die frühzeitige Identifizierung und Charakterisierung von Viren eingeführt werden, um somit verheerende Folgen für Mensch und Tier vorzubeugen. Im letzten Jahrzehnt ist die Zahl von zuvor unbekannten Viren exponentiell gestiegen. Dies liegt auch an der Entdeckung von neuen molekularbiologischen Techniken, wie „Next Generation Sequencing“ (NGS), welche den Wissenschaftsbereich der „Viral Metagenomics“ revolutioniert hat.

Unsere Arbeitsgruppe hat im Zuge unseres Virus Discovery Projektes zahlreiche PCR Assays eingeführt, welche ganze Virusfamilien detektieren können. Des Weiteren haben wir unsere NGS-Plattform in den letzten Jahren optimiert, um neuartige und wiederauftretende Viren schnell und zuverlässlich zu identifizieren und charakterisieren. Dabei wurden tierische Proben bearbeitet, wo eine bisher unbekannte Virusinfektion vermutet wurde.

In der vorliegenden Dissertation wird die Identifikation und Charakterisierung von Virusinfektionen verschiedener Tierarten präsentiert. Klassische virologische Techniken wurden dabei mit neuen Technologien kombiniert,  um die detektierten Virussequenzen weiter mit molekularen und phylogenetischen Analysen zu charakterisieren.

Zuerst wird die Identifikation und Charakterisierung eines neuartigen Pestivirus beschrieben: Das phocine Pestivirus (PhoPev) wurde in Schweinswalen nachgewiesen, welche an der niederländischen Nordseeküste aufgefunden worden sind. Unsere Arbeit beschreibt dabei die erste Pestivirusinfektion in Meeressäugern. Der nächste Teil der Dissertation stellt den Nachweis des sog. „Rabbit Hemorrhagic Disease Virus 2” (RHDV2) in Schneehasen dar. Die Tiere verendeten, nachdem sie sich mit hoher Wahrscheinlichkeit an erkrankten Kaninchen in den selben Zoos infiziert haben. Zudem wird eine retrospektive Studie über Usutu-Virusinfektionen in zahlreichen Vogelarten aus den Jahren 2011-2018 vorgestellt. Mit unserer NGS-Plattform erhielten wir zwei Komplettgenomsequenzen von zwei verschiedenen Vogelarten (Amsel und Bartkauz). Unsere Studie ergab, dass im Jahr 2018 mindestens zwei verschiedene Virusstämme in Deutschland zirkulierten. Außerdem erhielten wir das Komplettgenom von einem bovinen Adenovirus 7 (BAdV-7). Diese Studie kombiniert pathologische Untersuchungen eines verendeten Kalbes mit in-silico Analysen eines neuartigen europäischen Stammes.

Die vorliegende Dissertation legt einen besonderen Schwerpunkt auf Metapneumoviren. Als Teil der Einleitung wird ein Review über die zoonotischen Ursprünge des humanen Metapneumovirus (HMPV) diskutiert. HMPV ist ein respiratorischer Erreger, welches vor allem für Säuglinge, immunsupprimierte und alte Menschen gefährlich sein kann. Anlässlich für unser wissenschaftliches Interesse, war die Detektion von aviären Metapneumoviren Subtyp C (AMPV-C) in Stockenten in den Niederlanden. Das AMPV-C ist näher mit HMPV verwandt als an andere AMPV und eine Hypothese besagt, dass HMPV ursprünglich von einem aviären Wirt auf den Menschen übertragen wurde.  AMPV-C ist außerdem schon lange bekannt als Erreger der Rhinotracheitis bei Puten und Hühnern. Stockenten könnten hier als Virusreservoir agieren. Zukünftige Untersuchungen der engen Beziehung zwischen HMPV und AMPV-C, werden uns wichtige Hinweise über das Verständnis eines postulierten speziesübergreifenden Übertragungsereignisses liefern. Es ist zu erwarten, dass diese Informationen uns Mittel für eine bessere Vorbereitung auf den Ausbruch menschlicher Krankheiten liefern wird.

Zusammenfassend ist diese Arbeit ein Beispiel dafür, wie die Überwachung, Entdeckung und Charakterisierung von Tierviren den Weg für vergleichende virologische und pathogenetische Studien ebnet. Solche Studien werden schließlich zu einem besseren Verständnis der engen Konnektivität in der Tier-Mensch-Schnittstelle, im Lichte von „Virus-Spillover-Ereignissen“, führen. Ein besseres Verständnis, wie es zur Übertragung von Viren auf verschiedenen Arten kommen konnte, wird uns dabei helfen künftige Krankheitsausbrüche bei Menschen und Tieren zu bewältigen oder gar zu verhindern.

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