Molecular genetics and evolution of Puumala hantavirus

Puumala virus (PUUV) is the causative agent of nephropathia epidemica (NE), a mild form of hemorrhagic fever with renal syndrome. Finland has the highest documented incidence of NE with around 1000 cases diagnosed annually. PUUV is also found in other Scandinavian countries, Central Europe and the European part of Russia. PUUV belongs to the genus Hantavirus in the family Bunyaviridae. Hantaviruses are rodent-borne viruses each carried by a specific host that is persistently and asymptomatically infected by the virus. PUUV is carried by the bank voles (Myodes glareolus, previously known as Clethrionomys glareolus). Hantaviruses have co-evolved with their carrier rodents for millions of years and these host animals are the evolutionary scene of hantaviruses. In this study, PUUV sequences were recovered from bank voles captured in Denmark and Russian Karelia to study the evolution of PUUV in Scandinavia. Phylogenetic analysis of these strains showed a geographical clustering of genetic variants following the presumable migration pattern of bank voles during the recolonization of Scandinavia after the last ice age approximately 10 000 years ago. The currently known PUUV genome sequences were subjected to in-depth phylogenetic analyses and the results showed that genetic drift seems to be the major mechanism of PUUV evolution. In general, PUUV seems to evolve quite slowly following a molecular clock. We also found evidence for recombination in the evolution of some genetic lineages of PUUV. Viral microevolution was studied in controlled virus transmission in colonized bank voles and changes in quasispecies dynamics were recorded as the virus was transmitted from one animal to another. We witnessed PUUV evolution in vivo, as one synonymous mutation became repeatedly fixed in the viral genome during the experiment. The detailed knowledge on the PUUV diversity was used to establish new sensitive and specific detection methods for this virus. Direct viral invasion of the hypophysis was demonstrated for the first time in a lethal case of NE. PUUV detection was done by immunohistochemistry, in situ hybridization and RT-nested-PCR of the autopsy tissue samples.

Myyräkuumeeseen sairastuu vuosittain noin tuhat suomalaista. Myyräkuumeen eli epideemisen nefropatian aiheuttaa Puumala-virus, joka kuuluu hantavirusten ryhmään. Nämä virukset aiheuttavat ihmisillä munuaisoireisia verenvuotokuumeita. Hantavirukset ovat jyrsijöiden levittämiä ja Puumala-viruksen kantaja on metsämyyrä. Metsämyyriä ja myyräkuumetta esiintyy lähes koko Suomessa aivan pohjoisia alueita lukuunottamatta. Virus tarttuu ihmiseen hengitysteiden kautta metsämyyrän eritteistä. Tartunta voi olla oireeton, mutta kolmannekselle infektion saaneista kehittyy kliininen tauti, joka alkaa korkealla kuumeella, ja johon liittyy usein päänsärkyä, pahoinvointia sekä vatsa- ja selkäkipuja. Potilas paranee myyräkuumeesta lähes aina ilman pysyviä elinvaurioita. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin Puumala-viruksen muuntumista eli evoluutiota. Hantavirukset, mukaanlukien Puumala-virus, ovat kehittyneet yhdessä kantajajyrsijöidensä kanssa vuosimiljoonien ajan. Jyrsijöiden evoluutiohistorian todettiinkin heijastuvan Puumala-viruksen nykyisiin kantoihin. Tutkimuksessa havaittiin, että Puumala-virus muuntuu hitaasti lähinnä pistemutaatioiden kautta. Toisaalta huomattiin, että eri Puumala-viruskantojen geenit voivat myös muodostaa uusia kantoja rekombinaatio-mekanismin välityksellä. Tutkimus osoitti myös, että Puumala-virus voi muuntua nopeasti, mikäli viruksen elinympäristö muuttuu. Tässä väitöskirjatyössä kehitettiin myös menetelmiä, jolla voidaan tutkia viruksen esiintymistä kudoksissa ja kliinisissä näytteissä. Tutkimuksessa kuvattiin yksi myyräkuumeen aiheuttama kuolemantapaus, jossa Puumala-virusta löydettiin munuaisten ja pernan lisäksi aivolisäkkeestä. Lisäksi kuvattiin kaksi tapausta, joissa myyräkuumeeseen liittyi aivolisäkkeen verenvuoto, joka johti hormonikorvaushoitoa vaativaan aivolisäkkeen etulohkon vajaatoimintaan. Puumala-virus-infektiot ovat Suomessa yleisiä (keskimääräinen seroprevalenssi 5%), ja lisätutkimuksia tarvitaan, jotta voidaan selvittää, kuinka yleisiä myyräkuumeen aiheuttamat aivolisäkkeen vauriot ovat.