Investigating novel approaches to the detection of virus neutralising antibodies to rabies and Rift Valley fever virus

Serosurveillance is a powerful tool fundamental to understanding infectious disease dynamics. The presence of virus neutralising antibody (VNAb) in sera is considered the best evidence of infection, or indeed vaccination, and the gold standard serological assay for their detection is the virus neutralisation test (VNT). However, VNTs are labour intensive, costly and time consuming. In addition, VNTs for the detection of antibodies to highly pathogenic viruses require the use of high containment facilities, restricting the application of these assays to the few laboratories with adequate facilities. As a result, robust serological data on such viruses are limited. In this thesis I develop novel VNTs for the detection of VNAb to two important, highly pathogenic, zoonotic viruses; rabies and Rift Valley fever virus (RVFV). The pseudotype-based neutralisation test developed in this study allows for the detection of rabies VNAb without the requirement for high containment facilities. This assay was utilised to investigate the presence of rabies VNAb in animals from a variety of ecological settings. In this thesis I present evidence of natural rabies infection in both domestic dogs and lions from rabies endemic settings. The assay was further used to investigate the kinetics of VNAb response to rabies vaccination in a cohort of free-roaming dogs. The RVFV neutralisation assay developed herein utilises a recombinant luciferase expressing RVFV, which allows for rapid, high-throughput serosurveillance of this important neglected pathogen. In this thesis I present evidence of RVFV infection in a variety of domestic and wildlife species from Northern Tanzania, in addition to the detection of low-level transmission of RVFV during interepidemic periods. Additionally, the investigation of a longitudinal cohort of domestic livestock also provided evidence of rapid waning of RVF VNAb following natural infection. Collectively, the serological data presented in this thesis are consistent with existing data in the literature generated using the gold standard VNTs. Increasing the availability of serological assays will allow the generation of robust serological data, which are imperative to enhancing our understanding of the complex, multi-host ecology of these two viruses.

Étude des mécanismes d’extraction lipidique par le peptide mélittine et la protéine BSP1

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS). La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction. La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué. Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation.

Soziale Ungleichheiten beim Übergang von der Grundschule in die Sekundarstufe I. Theorie, Forschungsstand, Interventions- und Fördermöglichkeiten

Auf der Basis eines theoretischen Modells zum Übergangsprozess, in dem primäre und sekundäre Herkunftseffekte nach Boudon unterschieden werden, fasst der vorliegende Beitrag den empirischen Kenntnisstand zum Einfluss der familiären Herkunft auf den Übergang von der Grundschule in die Sekundarstufe I zusammen. Dabei wird neben den primären Effekten zwischen verschiedenen Arten von sekundären Herkunftseffekten unterschieden: sekundäre Effekte der Leistungsbeurteilung, der Schullaufbahnempfehlung und des Übergangsverhaltens. Die Befunde sprechen für die Existenz primärer und sekundärer Herkunftseffekte im deutschen Schulsystem: Kinder aus sozial schwachen Familien haben schlechtere Schulleistungen, erhalten jedoch selbst bei gleichen Testleistungen noch schlechtere Beurteilungen durch die Lehrkräfte (Noten und Schullaufbahnempfehlungen) und gehen bei gleichen Testleistungen und Schulnoten und gleicher Empfehlung häufiger auf niedrigere Schulformen über. Weiterhin werden Ergebnisse aus Studien zur Quantifizierung und Neutralisation von primären und sekundären Herkunftseffekten vorgestellt und diskutiert sowie mögliche Interventions- und Fördermöglichkeiten zur Verringerung der Herkunftseffekte beim Übergang aufgezeigt.

A study of culture specific items and translation strategies in Bahram Beyza'i’s play “Marionettes”

L'objectif de cette recherche est de fournir une analyse de la pièce de théâtre perse ''Marionettes'' de Bahrām Beyzā'ī (1963) ainsi que de sa traduction anglaise (1989) afin de comparer et de mettre en contraste les traits propres à la culture «Culture-specific items» (CSI) et des stratégies de traduction. Les formes problématiques pertinentes des différences culturelles seront étudiées et les procédés suggérés par Newmark (1988) seront examinés afin de déterminer dans quelle mesure ils sont pertinents dans la traduction des différences culturelles du perse à l'anglais. La pièce a été traduite par une équipe de traducteurs: Sujata G.Bhatt, Jacquelin Hoats, Imran A. Nyazee et Kamiar K. Oskouee. (Parvin Loloi et Glyn Pursglove 2002:66). Les oeuvres théâtrales de Beyzā'ī sont basées sur les traditions ainsi que sur le folklore iranien. L'auteur aborde la réalité sous une perspective philosophique. « (Un point de vue) enveloppé dans une cape de comparaisons complexes à tel point que nombre des personnages de son oeuvre errent entre des symboles de la mythologie et de l’histoire, ou sociaux» (M.R. Ghanoonparvar, John Green 1989, p.xxii notre traduction). La classification des éléments culturels de Newmark (1988) va comme suit: «Écologie, culture matérielle, culture sociale, organisations, coutumes / moeurs, gestes et habitudes» (Newmark 1988:95). La recherche mettra l’accent sur les procédés suggérés pour traduire les CSI ainsi que sur les stratégies de traduction selon Newmark. Ces procédés comprennent : «traduction littérale, transfert, équivalent culturel, neutralisation, équivalent fonctionnel, équivalent descriptif, synonymie, par le biais de la traduction, transposition, modulation, traduction reconnue, étiquette de traduction, compensation, analyse componentielle, réduction et expansion, paraphraser, distique, notes, additions, gloses» (Newmark 1988:81-93). L'objectif ici est de déterminer si les procédés suggérés sont applicables à la traduction des CSIs du perse à l'anglais, et quels sont les procédés les plus fréquemment utilisés par les traducteurs.

A study of culture specific items and translation strategies in Bahram Beyza'i’s play “Marionettes”

L'objectif de cette recherche est de fournir une analyse de la pièce de théâtre perse ''Marionettes'' de Bahrām Beyzā'ī (1963) ainsi que de sa traduction anglaise (1989) afin de comparer et de mettre en contraste les traits propres à la culture «Culture-specific items» (CSI) et des stratégies de traduction. Les formes problématiques pertinentes des différences culturelles seront étudiées et les procédés suggérés par Newmark (1988) seront examinés afin de déterminer dans quelle mesure ils sont pertinents dans la traduction des différences culturelles du perse à l'anglais. La pièce a été traduite par une équipe de traducteurs: Sujata G.Bhatt, Jacquelin Hoats, Imran A. Nyazee et Kamiar K. Oskouee. (Parvin Loloi et Glyn Pursglove 2002:66). Les oeuvres théâtrales de Beyzā'ī sont basées sur les traditions ainsi que sur le folklore iranien. L'auteur aborde la réalité sous une perspective philosophique. « (Un point de vue) enveloppé dans une cape de comparaisons complexes à tel point que nombre des personnages de son oeuvre errent entre des symboles de la mythologie et de l’histoire, ou sociaux» (M.R. Ghanoonparvar, John Green 1989, p.xxii notre traduction). La classification des éléments culturels de Newmark (1988) va comme suit: «Écologie, culture matérielle, culture sociale, organisations, coutumes / moeurs, gestes et habitudes» (Newmark 1988:95). La recherche mettra l’accent sur les procédés suggérés pour traduire les CSI ainsi que sur les stratégies de traduction selon Newmark. Ces procédés comprennent : «traduction littérale, transfert, équivalent culturel, neutralisation, équivalent fonctionnel, équivalent descriptif, synonymie, par le biais de la traduction, transposition, modulation, traduction reconnue, étiquette de traduction, compensation, analyse componentielle, réduction et expansion, paraphraser, distique, notes, additions, gloses» (Newmark 1988:81-93). L'objectif ici est de déterminer si les procédés suggérés sont applicables à la traduction des CSIs du perse à l'anglais, et quels sont les procédés les plus fréquemment utilisés par les traducteurs.

Rôle de SOCS1 dans l’immunogénicité de la tumeur en particulier au niveau du carcinome hépatocellulaire

Résumé : Le carcinome hépatocellulaire (HCC) est la troisième cause commune de décès de cancer et affecte plus les hommes que les femmes. Le HCC résulte d’une dérégulation des voies de signalisation impliquées dans l’initiation de l’inflammation menant ainsi à des répercussions désastreuses. De part la complexité de ce type de cancer, les traitements qui existent à ce jour ne sont pas très prometteurs et ont un faible pourcentage de « rémission ». L’immunothérapie soulève beaucoup d’espoir quant à l’orientation vers un traitement efficace plausible. En effet, plusieurs suppresseurs de tumeur se retrouvent réprimés, parmi lesquels le SOCS1. C’est dans cette optique que nos recherches se sont orientées en mettant la lumière sur le SOCS1 «suppresseur de signalisation des cytokines 1 (SOCS1) » qui est réprimé au niveau du HCC et dont la restauration pourrait contribuer à un pronostic favorable à la rémission. La protéine SOCS1 a beaucoup attisé la curiosité des chercheurs de part son rôle suppresseur de tumeur. Pour comprendre les mécanismes d’action de SOCS1 et son implication dans la neutralisation de la tumeur, nous avons généré trois types stables de la lignée cellulaire du carcinome hépatocellulaire de souris Hepa1-6, une portant un vecteur vide, l’autre exprimant le type sauvage du gène SOCS1 (SOCS1-WT; Hepa-S) et une portant une mutation au niveau du domaine SH2 (SOCS1-R105K; Hepa-R). Le mutant ne peut plus inhiber la signalisation des cytokines. Lors de l'implantation sous-cutanée des cellules Hepa1-6 modifiées, chez des souris C57BL/6 et NOD.scid.gamma (NSG). Nous avons observé que les cellules Hepa1-6 exprimant le vecteur de contrôle (Hepa-V) formaient de grosses tumeurs tandis que les cellules Hepa-S formaient de petites tumeurs chez les deux types de souris. Les cellules Hepa-R quant à elles, formaient de grosses tumeurs seulement chez des souris immunodéficientes (NSG) mais montraient une croissance nettement retardée lorsqu’elles étaient greffées aux souris (C57BL/6) immunocompétentes. Partant de ce constat intrigant, nous avons postulé que SOCS1 favorise l'immunogénicité des cellules tumorales par son domaine SOCS Box. Par conséquent, les cellules Hepa-R offrent une occasion unique de démêler le potentiel pro-immunogène de SOCS1, et ceci dans le but d'élucider les fonctions immunogènes de SOCS1 dans le cancer du foie. Jusqu'à présent aucune précédente recherche ne s’est aventurée à chercher l’implication de SOCS1 dans l’augmentation de l’immunogénicité.

The epidemiology of foot-and-mouth disease at the wildlife-livestock interface in northern Tanzania

Foot-and-mouth disease (FMD), a disease of cloven hooved animals caused by FMD virus (FMDV), is one of the most economically devastating diseases of livestock worldwide. The global burden of disease is borne largely by livestock-keepers in areas of Africa and Asia where the disease is endemic and where many people rely on livestock for their livelihoods and food-security. Yet, there are many gaps in our knowledge of the drivers of FMDV circulation in these settings. In East Africa, FMD epidemiology is complicated by the circulation of multiple FMDV serotypes (distinct antigenic variants) and by the presence of large populations of susceptible wildlife and domestic livestock. The African buffalo (Syncerus caffer) is the only wildlife species with consistent evidence of high levels of FMDV infection, and East Africa contains the largest population of this species globally. To inform FMD control in this region, key questions relate to heterogeneities in FMD prevalence and impacts in different livestock management systems and to the role of wildlife as a potential source of FMDV for livestock. To develop FMD control strategies and make best use of vaccine control options, serotype-specific patterns of circulation need to be characterised. In this study, the impacts and epidemiology of FMD were investigated across a range of traditional livestock-keeping systems in northern Tanzania, including pastoralist, agro-pastoralist and rural smallholder systems. Data were generated through field studies and laboratory analyses between 2010 and 2015. The study involved analysis of existing household survey data and generated serological data from cross-sectional livestock and buffalo samples and longitudinal cattle samples. Serological analyses included non-structural protein ELISAs, serotype-specific solid-phase competitive ELISAs, with optimisation to detect East African FMDV variants, and virus neutralisation testing. Risk factors for FMDV infection and outbreaks were investigated through analysis of cross-sectional serological data in conjunction with a case-control outbreak analysis. A novel Bayesian modeling approach was developed to infer serotype-specific infection history from serological data, and combined with virus isolation data from FMD outbreaks to characterise temporal and spatial patterns of serotype-specific infection. A high seroprevalence of FMD was detected in both northern Tanzanian livestock (69%, [66.5 - 71.4%] in cattle and 48.5%, [45.7-51.3%] in small ruminants) and in buffalo (80.9%, [74.7-86.1%]). Four different serotypes of FMDV (A, O, SAT1 and SAT2) were isolated from livestock. Up to three outbreaks per year were reported by households and active surveillance highlighted up to four serial outbreaks in the same herds within three years. Agro-pastoral and pastoral livestock keepers reported more frequent FMD outbreaks compared to smallholders. Households in all three management systems reported that FMD outbreaks caused significant impacts on milk production and sales, and on animals’ draught power, hence on crop production, with implications for food security and livelihoods. Risk factor analyses showed that older livestock were more likely to be seropositive for FMD (Odds Ratio [OR] 1.4 [1.4-1.5] per extra year) and that cattle (OR 3.3 [2.7-4.0]) were more likely than sheep and goats to be seropositive. Livestock managed by agro-pastoralists (OR 8.1 [2.8-23.6]) or pastoralists (OR 7.1 [2.9-17.6]) were more likely to be seropositive compared to those managed by smallholders. Larger herds (OR: 1.02 [1.01-1.03] per extra bovine) and those that recently acquired new livestock (OR: 5.57 [1.01 – 30.91]) had increased odds of suffering an FMD outbreak. Measures of potential contact with buffalo or with other FMD susceptible wildlife did not increase the likelihood of FMD in livestock in either the cross-sectional serological analysis or case-control outbreak analysis. The Bayesian model was validated to correctly infer from ELISA data the most recent serotype to infect cattle. Consistent with the lack of risk factors related to wildlife contact, temporal and spatial patterns of exposure to specific FMDV serotypes were not tightly linked in cattle and buffalo. In cattle, four serial waves of different FMDV serotypes that swept through southern Kenyan and northern Tanzanian livestock populations over a four-year period dominated infection patterns. In contrast, only two serotypes (SAT1 and SAT2) dominated in buffalo populations. Key conclusions are that FMD has a substantial impact in traditional livestock systems in East Africa. Wildlife does not currently appear to act as an important source of FMDV for East African livestock, and control efforts in the region should initially focus on livestock management and vaccination strategies. A novel modeling approach greatly facilitated the interpretation of serological data and may be a potent epidemiological tool in the African setting. There was a clear temporal pattern of FMDV antigenic dominance across northern Tanzania and southern Kenya. Longer-term research to investigate whether serotype-specific FMDV sweeps are truly predictable, and to shed light on FMD post-infection immunity in animals exposed to serial FMD infections is warranted.

Sparse hierarchical Bayesian models for detecting relevant antigenic sites in virus evolution

Understanding how virus strains offer protection against closely related emerging strains is vital for creating effective vaccines. For many viruses, including Foot-and-Mouth Disease Virus (FMDV) and the Influenza virus where multiple serotypes often co-circulate, in vitro testing of large numbers of vaccines can be infeasible. Therefore the development of an in silico predictor of cross-protection between strains is important to help optimise vaccine choice. Vaccines will offer cross-protection against closely related strains, but not against those that are antigenically distinct. To be able to predict cross-protection we must understand the antigenic variability within a virus serotype, distinct lineages of a virus, and identify the antigenic residues and evolutionary changes that cause the variability. In this thesis we present a family of sparse hierarchical Bayesian models for detecting relevant antigenic sites in virus evolution (SABRE), as well as an extended version of the method, the extended SABRE (eSABRE) method, which better takes into account the data collection process. The SABRE methods are a family of sparse Bayesian hierarchical models that use spike and slab priors to identify sites in the viral protein which are important for the neutralisation of the virus. In this thesis we demonstrate how the SABRE methods can be used to identify antigenic residues within different serotypes and show how the SABRE method outperforms established methods, mixed-effects models based on forward variable selection or l1 regularisation, on both synthetic and viral datasets. In addition we also test a number of different versions of the SABRE method, compare conjugate and semi-conjugate prior specifications and an alternative to the spike and slab prior; the binary mask model. We also propose novel proposal mechanisms for the Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulations, which improve mixing and convergence over that of the established component-wise Gibbs sampler. The SABRE method is then applied to datasets from FMDV and the Influenza virus in order to identify a number of known antigenic residue and to provide hypotheses of other potentially antigenic residues. We also demonstrate how the SABRE methods can be used to create accurate predictions of the important evolutionary changes of the FMDV serotypes. In this thesis we provide an extended version of the SABRE method, the eSABRE method, based on a latent variable model. The eSABRE method takes further into account the structure of the datasets for FMDV and the Influenza virus through the latent variable model and gives an improvement in the modelling of the error. We show how the eSABRE method outperforms the SABRE methods in simulation studies and propose a new information criterion for selecting the random effects factors that should be included in the eSABRE method; block integrated Widely Applicable Information Criterion (biWAIC). We demonstrate how biWAIC performs equally to two other methods for selecting the random effects factors and combine it with the eSABRE method to apply it to two large Influenza datasets. Inference in these large datasets is computationally infeasible with the SABRE methods, but as a result of the improved structure of the likelihood, we are able to show how the eSABRE method offers a computational improvement, leading it to be used on these datasets. The results of the eSABRE method show that we can use the method in a fully automatic manner to identify a large number of antigenic residues on a variety of the antigenic sites of two Influenza serotypes, as well as making predictions of a number of nearby sites that may also be antigenic and are worthy of further experiment investigation.