Mitochondrial Genomics: structure, inheritance and phylogenetic utility of the Mitochondrial genome in Bivalvia and Insecta

This PhD Thesis is the result of my research activity in the last three years. My main research interest was centered on the evolution of mitochondrial genome (mtDNA), and on its usefulness as a phylogeographic and phylogenetic marker at different taxonomic levels in different taxa of Metazoa. From a methodological standpoint, my main effort was dedicated to the sequencing of complete mitochondrial genomes, and the approach to whole-genome sequencing was based on the application of Long-PCR and shotgun sequences. Moreover, this research project is a part of a bigger sequencing project of mtDNAs in many different Metazoans’ taxa, and I mostly dedicated myself to sequence and analyze mtDNAs in selected taxa of bivalves and hexapods (Insecta). Sequences of bivalve mtDNAs are particularly limited, and my study contributed to extend the sampling. Moreover, I used the bivalve Musculista senhousia as model taxon to investigate the molecular mechanisms and the evolutionary significance of their aberrant mode of mitochondrial inheritance (Doubly Uniparental Inheritance, see below). In Insects, I focused my attention on the Genus Bacillus (Insecta Phasmida). A detailed phylogenetic analysis was performed in order to assess phylogenetic relationships within the genus, and to investigate the placement of Phasmida in the phylogenetic tree of Insecta. The main goal of this part of my study was to add to the taxonomic coverage of sequenced mtDNAs in basal insects, which were only partially analyzed.

Epatite E: ruolo del suino nella trasmissione dell'infezione all'uomo, studio di prevalenza in aree rurali della Bolivia

L’infezione da virus dell’ epatite E (HEV) nei suini e nell’uomo è stata segnalata in diversi Paesi. Nei suini, il virus causa infezioni asintomatiche, mentre nell’uomo è responsabile di epidemie di epatite ad andamento acuto nei Paesi a clima tropicale o subtropicale con condizioni igieniche scadenti, di casi sporadici in quelli sviluppati. HEV è stato isolato anche in diversi animali e l’analisi nucleotidica degli isolati virali di origine animale ha mostrato un elevato grado di omologia con i ceppi di HEV umani isolati nelle stesse aree geografiche, avvalorando l’ipotesi che l'infezione da HEV sia una zoonosi. In America del Sud HEV suino è stato isolato per la prima volta in suini argentini nel 2006, mentre solo dal 1998 esistono dati sull’ infezione da HEV nell’uomo in Bolivia. In questa indagine è stato eseguito uno studio di sieroprevalenza in due comunità rurali boliviane e i risultati sono stati confrontati con quelli dello studio di sieroprevalenza sopra menzionato condotto in altre zone rurali della Bolivia. Inoltre, mediante Nested RT-PCR, è stata verificata la presenza di HEV nella popolazione umana e suina. La sieroprevalenza per anticorpi IgG anti-HEV è risultata pari al 6,2%, molto simile a quella evidenziata nello studio precedente. La prevalenza maggiore (24%) si è osservata nei soggetti di età compresa tra 41 e 50 anni, confermando che l’ infezione da HEV è maggiore fra i giovani-adulti. La ricerca di anticorpi anti HEV di classe IgM eseguita su 52 sieri ha fornito 4 risultati positivi. Il genoma virale è stato identificato in uno dei 22 pool di feci umane e l'esame virologico di 30 campioni individuali fecali e 7 individuali di siero ha fornito rispettivamente risultati positivi in 4/30 e 1/7. La Nested RT-PCR eseguita sui 22 pool di feci suine ha dato esito positivo in 7 pool. L’analisi delle sequenze genomiche di tutti gli amplificati ha consentito di stabilire che gli isolati umani appartenevano allo stesso genotipo III di quelli suini e presentavano con questi una elevata omologia aminoacidica (92%).

Parapoxvirus: basi genomiche della patogenesi

Parapoxvirus (PPV) are member of a genus in the family poxviridae which currently encompasses four species: the prototype orf virus (OV), bovine papular stomatitis virus (BPSV), pseudocowpox virus (PCPV) and parapoxvirus of New Zealand red deer (PVNZ). PPVs cause widespread, but localized diseases of small and large ruminants and they can also be transmitted to man. Knowledge of the molecular biology of PPV is still limited as compared to orthopoxviruses, especially vaccinia virus (VACV). The PPV genome displays a high G+C content and relatively small size for poxvirus. Coventional electron microscopy displays PPV virions with ovoid shape and slightly smaller in size than the brickshaped orthopoxviruses. The most striking feature, which readily enables identification of PPV, is a tubule-like structure that surrounds the particle in a spiral fashion. PPV genome organization and content is very similar to that of other poxviruses, the central region contain 88 genes which are present in all poxviruse, in contrast the terminal regions are variable and contain a set of genes unique to the genus PPV. Genes in the near-terminal regions of the genome are frequently not essential for growth in cultured cells encoding factors with important roles in virushost interactions including modulating host immune responses and determining host range. Recently it was suggested that the open reading frames (ORFs) 109 and 110 of the OV genome have a major role in determining species specificity during natural infection in sheep and goats. This hypothesis is based on the analysis of a few number of sequences of different sheep and goats viral isolates. PPV replicate into the cytoplasm of infected cells and produce three structurally different infectious particles: the intracellular mature virions (IMV), intracellular enveloped virions (IEV) and the extracellular enveloped virions (EEV). The vaccinia A33R and A34R hotologue proteins encoded by the ORFS 109 and 110 are expressed in the envelope of the IEV and EEV. The F1L immunodominant protein of orf virus is the major component of the surface tubule structure of the IMV and can post-translationaly insert into membranes via Cterminal, hydrofobic anchor sequence like its orthologue VACV H3L protein. Moreover the F1L protein binds to glycosaminoglycans on the cell surface and has an important role in IMV adsorption to mammalian cells. In this study we investigated the morphogenesis of the PPV through the construction of a mutant virus deleted of the F1L protein. A study of the deleted virus life cycle was conducted in different type of cells and its morphology was observed with electron microscopy. It was demonstared that F1L protein have important role in morphogenesis and infectivity. Moreover it is essential to determine the spiral fashion of the tubule like structure of the virion surface. Some pathogenetic aspects of the PPV infection were studied, in particular the protein implicated in the host range were analysed in detail. An experimental infection with OV and PCPV was conducted in goats and sheep. After infection, the severity of the lesions were comparable in both the animal species. The OV did not result in severe disease neither in sheep nor in goats, suggesting that host factors, rather than virus strain characteristics, may play an important role in the pathogenesis of the Parapoxvirus infections. The PCPV failed to produce any lesion in both sheep and goats, ruling out the possibility of any recombination between PCPV and OV during natural infection in these animal species. The phylogenetic analysis of the ORFs 109 and 110 from several goats and sheep viral isolates showed a clustering based on the antigenic content of the protein that was independent from species and geographic origin.

Molecular diversity of Primula apennina and phylogeny of Primula Subsection Euauricula

Primula apennina Widmer is endemic to the North Apennines (Italy). ISSR were used to detect the genetic diversity within and among six populations representative of the species distribution range. High levels of genetic diversity were revealed both at population (PPB = 75.92%, HS = 0.204, Hpop = 0.319) and at species level (PPB = 96.95%, HT = 0.242, Hsp = 0.381). Nei gene diversity statistics (15.7%), Shannon diversity index (16.3%) and AMOVA (14%) detected a moderate level of interpopulation diversity. Principal coordinate and bayesian analyses clustered the populations in three major groups along a geographic gradient. The correlation between genetic and geographic distances was positive (Mantel test, r = 0.232). All together, these analyses revealed a weak but significant spatial genetic structure in P. apennina, with gene flow acting as a homogenizing force that prevents a stronger differentiation of populations. Conservation measures are suggested based on the observed pattern of genetic variability. P. apennina belongs to Primula subsect. Euauricula which includes 15 species distributed on the whole Alps and Apennines. A phylogenetic analysis was carried out using AFLP markers in order both to clarify the relationships among the species of subsection Euauricula that remained unresolved in previous works and to make some hypoteses on their evolutive dynamics. NJ, PCO and BAPS analyses strongly confirmed the monophyly of P. subsect. Euauricula and all the species form strongly supported clades. NJ tree topology suggested a simultaneous fragmentations of ancestral species in a large number of isolated populations that survived in refugia along the unglaciated margins of the Alps in response to the Pleistocene climatic oscillations.

Studio della Peste dei Piccoli Ruminanti nei territori saharawi

La Peste dei Piccoli Ruminanti (PPR) è una patologia virale ed acuta che colpisce i piccoli ruminanti, diffusa in Africa Sub-Sahariana, in Medio Oriente ed in Asia Meridionale. Questo lavoro si propone di effettuare il primo studio epidemiologico sulla PPR nella Repubblica Araba Saharawi Democratica (RASD), che comprende i Campi Profughi Saharawi, in territorio algerino, ed i “Territori Liberati” del Sahara Occidentale, valutando la potenziale presenza, prevalenza e distribuzione del virus della PPR in questi territori. Lo studio si è basato su una metodica di campionamento “a cluster” secondo la tecnica “a due stadi”. Sono stati individuati 23 siti di campionamento dai quali sono stati raccolti un totale di 976 campioni di siero prelevati da pecore, capre e cammelli. I campioni sono stati prelevati in Marzo ed Aprile 2008. I risultati dei test Competitive-Elisa hanno evidenziato una sieroprevalenza nel 28,26% degli animali testati, benché durante la raccolta dei campioni nessun animale abbia presentato sintomi clinici riferibili alla PPR. Tra Gennaio e Maggio 2010, in seguito ad episodi di aumentata mortalità nella popolazione ovi-caprina presente nei Campi Profughi, le autorità veterinarie locali sospettarono un outbreak di PPR. Tra Maggio ed Ottobre 2010 è stato sviluppato un outbreak investigation nei Campi Profughi Saharawi con lo scopo di confermare la circolazione del PPRV. I risultati di laboratorio hanno confermato la presenza del virus nel 33,33% dei campioni. Il sequenziamento del genoma virale ha rivelato che il virus apparteneva al Lignaggio 4 e le analisi filogenetiche hanno indicato una stretta relazione (99.3%) con il PPRV isolato durante l'epidemia di PPR in Marocco del 2008.

Caratterizzazione genomica di virus influenzali suini in Italia mediante next generation sequencing

I sottotipi H1N1, H1N2 e H3N2 di influenza A virus sono largamente diffusi nella popolazione suina di tutto il mondo. Nel presente lavoro è stato sviluppato un protocollo di sequenziamento di c.d. nuova generazione, su piattaforma Ion Torrent PGM, idoneo per l’analisi di tutti i virus influenzali suini (SIV). Per valutare l’evoluzione molecolare dei SIV italiani, sono stati sequenziati ed analizzati mediante analisi genomica e filogenetica un totale di sessantadue ceppi di SIV appartenenti ai sottotipi H1N1, H1N2 e H3N2, isolati in Italia dal 1998 al 2014. Sono stati evidenziati in sei campioni due fenomeni di riassortimento: tutti i SIV H1N2 esaminati presentavano una neuraminidasi di derivazione umana, diversa da quella dei SIV H1N2 circolanti in Europa, inoltre l’emoagglutinina (HA) di due isolati H1N2 era originata dal riassortimento con un SIV H1N1 avian-like. L’analisi molecolare dell’HA ha permesso di rivelare un’inserzione di due amminoacidi in quattro SIV H1N1 pandemici e una delezione di due aminoacidi in quattro SIV H1N2, entrambe a livello del sito di legame con il recettore cellulare. E’ stata inoltre evidenziata un’elevata omologia di un SIV H1N1 con ceppi europei isolati negli anni ’80, suggerendo la possibile origine vaccinale di questo virus. E’ stato possibile, in aggiunta, applicare il nuovo protocollo sviluppato per sequenziare un virus influenzale aviare altamente patogeno trasmesso all’uomo, direttamente da campione biologico. La diversità genetica nei SIV esaminati in questo studio conferma l’importanza di un continuo monitoraggio della costellazione genomica dei virus influenzali nella popolazione suina.