The Significance of Wild Plants in the Evolutionary Ecology of Three Major Viruses Infecting Cultivated Sweetpotato in Uganda

The studies presented in this thesis contribute to the understanding of evolutionary ecology of three major viruses threatening cultivated sweetpotato (Ipomoea batatas Lam) in East Africa: Sweet potato feathery mottle virus (SPFMV; genus Potyvirus; Potyviridae), Sweet potato chlorotic stunt virus (SPCSV; genus Crinivirus; Closteroviridae) and Sweet potato mild mottle virus (SPMMV; genus Ipomovirus; Potyviridae). The viruses were serologically detected and the positive results confirmed by RT-PCR and sequencing. SPFMV was detected in 24 wild plant species of family Convolvulacea (genera Ipomoea, Lepistemon and Hewittia), of which 19 species were new natural hosts for SPFMV. SPMMV and SPCSV were detected in wild plants belonging to 21 and 12 species (genera Ipomoea, Lepistemon and Hewittia), respectively, all of which were previously unknown to be natural hosts of these viruses. SPFMV was the most abundant virus being detected in 17% of the plants, while SPMMV and SPCSV were detected in 9.8% and 5.4% of the assessed plants, respectively. Wild plants in Uganda were infected with the East African (EA), common (C), and the ordinary (O) strains, or co-infected with the EA and the C strain of SPFMV. The viruses and virus-like diseases were more frequent in the eastern agro-ecological zone than the western and central zones, which contrasted with known incidences of these viruses in sweetpotato crops, except for northern zone where incidences were lowest in wild plants as in sweetpotato. The NIb/CP junction in SPMMV was determined experimentally which facilitated CP-based phylogenetic and evolutionary analyses of SPMMV. Isolates of all the three viruses from wild plants were genetically similar to those found in cultivated sweetpotatoes in East Africa. There was no evidence of host-driven population genetic structures suggesting frequent transmission of these viruses between their wild and cultivated hosts. The p22 RNA silencing suppressor-encoding sequence was absent in a few SPCSV isolates, but regardless of this, SPCSV isolates incited sweet potato virus disease (SPVD) in sweetpotato plants co-infected with SPFMV, indicating that p22 is redundant for synergism between SCSV and SPFMV. Molecular evolutionary analysis revealed that isolates of strain EA of SPFMV that is largely restricted geographically in East Africa experience frequent recombination in comparison to isolates of strain C that is globally distributed. Moreover, non-homologous recombination events between strains EA and C were rare, despite frequent co-infections of these strains in wild plants, suggesting purifying selection against non-homologous recombinants between these strains or that such recombinants are mostly not infectious. Recombination was detected also in the 5 - and 3 -proximal regions of the SPMMV genome providing the first evidence of recombination in genus Ipomovirus, but no recombination events were detected in the characterized genomic regions of SPCSV. Strong purifying selection was implicated on evolution of majority of amino acids of the proteins encoded by the analyzed genomic regions of SPFMV, SPMMV and SPCSV. However, positive selection was predicted on 17 amino acids distributed over the whole the coat protein (CP) in the globally distributed strain C, as compared to only 4 amino acids in the multifunctional CP N-terminus (CP-NT) of strain EA largely restricted geographically to East Africa. A few amino acid sites in the N-terminus of SPMMV P1, the p7 protein and RNA silencing suppressor proteins p22 and RNase3 of SPCSV were also submitted to positive selection. Positively selected amino acids may constitute ligand-binding domains that determine interactions with plant host and/or insect vector factors. The P1 proteinase of SPMMV (genus Ipomovirus) seems to respond to needs of adaptation, which was not observed with the helper component proteinase (HC-Pro) of SPMMV, although the HC-Pro is responsible for many important molecular interactions in genus Potyvirus. Because the centre of origin of cultivated sweetpotato is in the Americas from where the crop was dispersed to other continents in recent history (except for the Australasia and South Pacific region), it would be expected that identical viruses and their strains occur worldwide, presuming virus dispersal with the host. Apparently, this seems not to be the case with SPMMV, the strain EA of SPFMV and the strain EA of SPCSV that are largely geographically confined in East Africa where they are predominant and occur both in natural and agro-ecosystems. The geographical distribution of plant viruses is constrained more by virus-vector relations than by virus-host interactions, which in accordance of the wide range of natural host species and the geographical confinement to East Africa suggest that these viruses existed in East African wild plants before the introduction of sweetpotato. Subsequently, these studies provide compelling evidence that East Africa constitutes a cradle of SPFMV strain EA, SPCSV strain EA, and SPMMV. Therefore, sweet potato virus disease (SPVD) in East Africa may be one of the examples of damaging virus diseases resulting from exchange of viruses between introduced crops and indigenous wild plant species. Keywords: Convolvulaceae, East Africa, epidemiology, evolution, genetic variability, Ipomoea, recombination, SPCSV, SPFMV, SPMMV, selection pressure, sweetpotato, wild plant species Author s Address: Arthur K. Tugume, Department of Agricultural Sciences, Faculty of Agriculture and Forestry, University of Helsinki, Latokartanonkaari 7, P.O Box 27, FIN-00014, Helsinki, Finland. Email: tugume.arthur@helsinki.fi Author s Present Address: Arthur K. Tugume, Department of Botany, Faculty of Science, Makerere University, P.O. Box 7062, Kampala, Uganda. Email: aktugume@botany.mak.ac.ug, tugumeka@yahoo.com

Pharmacogenetics of SLCO1B1: Population genetics and effect on statins

Kohonneiden kolesterolipitoisuuksien alentamisessa käytettävien statiinien hyödyt sydän- ja verisuonisairauksien estossa on vahvasti osoitettu ja niiden käyttö on niin Suomessa kuin muuallakin maailmassa kasvanut voimakkaasti – Suomessa statiininkäyttäjiä on noin 600 000. Statiinilääkitys on pitkäaikaisessakin käytössä melko hyvin siedetty, mutta yleisimpinä haittavaikutuksina voi ilmetä lihasheikkoutta, -kipua ja -kramppeja, jotka voivat edetä jopa henkeä uhkaavaksi lihasvaurioksi. Lihashaittariski suurenee suhteessa statiiniannokseen ja plasman statiinipitoisuuksiin. Statiinien plasmapitoisuuksissa, tehossa ja haittavaikutusten ilmenemisessä on suuria potilaskohtaisia eroja. SLCO1B1-geenin koodaama OATP1B1-kuljetusproteiini kuljettaa monia elimistön omia aineita ja lääkeaineita verenkierrosta solukalvon läpi maksasoluun, mm. statiineja, joiden kolesterolia alentava vaikutus ja poistuminen elimistöstä tapahtuvat pääosin maksassa. Erään SLCO1B1-geenin nukleotidimuutoksen (c.521T>C) tiedetään heikentävän OATP1B1:n kuljetustehoa. Tässä väitöskirjatyössä selvitettiin SLCO1B1-geenin perinnöllistä muuntelua suomalaisilla ja eri väestöissä maailmanlaajuisesti. Lisäksi selvitettiin SLCO1B1:n muunnosten vaikutusta eri statiinien pitoisuuksiin (farmakokinetiikka) ja vaikutuksiin (farmakodynamiikka) sekä kolesteroliaineenvaihduntaan. Näihin tutkimuksiin valittiin SLCO1B1-genotyypin perusteella terveitä vapaaehtoisia koehenkilöitä, joille annettiin eri päivinä kerta-annos kutakin tutkittavaa statiinia: fluvastatiinia, pravastatiinia, simvastatiinia, rosuvastatiinia ja atorvastatiinia. Verinäytteistä määritettiin plasman statiinien ja niiden aineenvaihduntatuotteiden sekä kolesterolin ja sen muodostumista ja imeytymistä kuvaavien merkkiaineiden pitoisuuksia. Toiminnallisesti merkittävien SLCO1B1-geenimuunnosten esiintyvyydessä todettiin suuria eroja eri väestöjen välillä. Suomalaisilla SLCO1B1 c.521TC-genotyypin (geenimuunnos toisessa vastinkromosomissa) esiintyvyys oli noin 32 % ja SLCO1B1 c.521CC-genotyypin (geenimuunnos molemmissa vastinkromosomeissa) esiintyvyys noin 4 %. Globaalisti geenimuunnosten esiintyvyys korreloi maapallon leveyspiirien kanssa siten, että matalaan transportteriaktiivisuuteen johtavat muunnokset olivat yleisimpiä pohjoisessa ja korkeaan aktiivisuuteen johtavat päiväntasaajan lähellä asuvilla väestöillä. SLCO1B1-genotyypillä oli merkittävä vaikutus statiinien plasmapitoisuksiin lukuun ottamatta fluvastatiinia. Simvastatiinihapon plasmapitoisuudet olivat keskimäärin 220 %, atorvastatiinin 140 %, pravastatiinin 90 % ja rosuvastatiinin 70 % suuremmat c.521CC-genotyypin omaavilla koehenkilöillä verrattuna normaalin c.521TT-genotyypin omaaviin. Genotyypillä ei ollut merkittävää vaikutusta minkään statiinin tehoon tässä kerta-annostutkimuksessa, mutta geenimuunnoksen kantajilla perustason kolesterolisynteesinopeus oli suurempi. Tulokset osoittavat, että SLCO1B1 c.521T>C geenimuunnos on varsin yleinen suomalaisilla ja muilla ei-afrikkalaisilla väestöillä. Tämä geenimuunnos voi altistaa erityisesti simvastatiinin, mutta myös atorvastatiinin, pravastatiinin ja rosuvastatiinin, aiheuttamille lihashaitoille suurentamalla niiden plasmapitoisuuksia. SLCO1B1:n geenimuunnoksen testaamista voidaan tulevaisuudessa käyttää apuna valittaessa sopivaa statiinilääkitystä ja -annosta potilaalle, ja näin parantaa sekä statiinihoidon turvallisuutta että tehoa.