Ross River virus disease clusters and spatial relationship with mosquito biting exposure in Redland Shire, southern Queensland, Australia

The spatial heterogeneity in the risk of Ross River virus (family Togaviridae, genus Alphavirus, RRV) disease, the most common mosquito-borne disease in Australia, was examined in Redland Shire in southern Queensland, Australia. Disease cases, complaints from residents of intense mosquito biting exposure, and human population data were mapped using a geographic information system. Surface maps of RRV disease age-sex standardized morbidity ratios and mosquito biting complaint morbidity ratios were created. To determine whether there was significant spatial variation in disease and complaint patterns, a spatial scan analysis method was used to test whether the number of cases and complaints was distributed according to underlying population at risk. Several noncontiguous areas in proximity to productive saline water habitats of Aedes vigilax (Skuse), a recognized vector of RRV, had higher than expected numbers of RRV disease cases and complaints. Disease rates in human populations in areas which had high numbers of adult Ae. vigilax in carbon dioxide- and octenol-baited light traps were up to 2.9 times those in areas that rarely had high numbers of mosquitoes. It was estimated that targeted control of adult Ae. vigilax in these high-risk areas could potentially reduce the RRV disease incidence by an average of 13.6%. Spatial correlation was found between RRV disease risk and complaints from residents of mosquito biting. Based on historical patterns of RRV transmission throughout Redland Shire and estimated future human population growth in areas with higher than average RRV disease incidence, it was estimated that RRV incidence rates will increase by 8% between 2001 and 2021. The use of arbitrary administrative areas that ranged in size from 4.6 to 318.3 km2, has the potential to mask any small scale heterogeneity in disease patterns. With the availability of georeferenced data sets and high-resolution imagery, it is becoming more feasible to undertake spatial analyses at relatively small scales.

RNA Virus Evolution: a Cross-scale, Disease Dynamic Perspective

RNA viruses are an important cause of global morbidity and mortality. The rapid evolutionary rates of RNA virus pathogens, caused by high replication rates and error-prone polymerases, can make the pathogens difficult to control. RNA viruses can undergo immune escape within their hosts and develop resistance to the treatment and vaccines we design to fight them. Understanding the spread and evolution of RNA pathogens is essential for reducing human suffering. In this dissertation, I make use of the rapid evolutionary rate of viral pathogens to answer several questions about how RNA viruses spread and evolve. To address each of the questions, I link mathematical techniques for modeling viral population dynamics with phylogenetic and coalescent techniques for analyzing and modeling viral genetic sequences and evolution. The first project uses multi-scale mechanistic modeling to show that decreases in viral substitution rates over the course of an acute infection, combined with the timing of infectious hosts transmitting new infections to susceptible individuals, can account for discrepancies in viral substitution rates in different host populations. The second project combines coalescent models with within-host mathematical models to identify driving evolutionary forces in chronic hepatitis C virus infection. The third project compares the effects of intrinsic and extrinsic viral transmission rate variation on viral phylogenies.

Diversity in a honey bee pathogen: first report of a third master variant of the Deformed Wing Virus quasispecies

Treatment of emerging RNA viruses is hampered by the high mutation and replication rates that enable these viruses to operate as a quasispecies. Declining honey bee populations have been attributed to the ectoparasitic mite Varroa destructor and its affiliation with Deformed Wing Virus (DWV). In the current study we use next-generation sequencing to investigate the DWV quasispecies in an apiary known to suffer from overwintering colony losses. We show that the DWV species complex is made up of three master variants. Our results indicate that a new DWV Type C variant is distinct from the previously described types A and B, but together they form a distinct clade compared with other members of the Iflaviridae. The molecular clock estimation predicts that Type C diverged from the other variants ~319 years ago. The discovery of a new master variant of DWV has important implications for the positive identification of the true pathogen within global honey bee populations.

Diversity in a honey bee pathogen: first report of a third master variant of the Deformed Wing Virus quasispecies

Treatment of emerging RNA viruses is hampered by the high mutation and replication rates that enable these viruses to operate as a quasispecies. Declining honey bee populations have been attributed to the ectoparasitic mite Varroa destructor and its affiliation with Deformed Wing Virus (DWV). In the current study we use next-generation sequencing to investigate the DWV quasispecies in an apiary known to suffer from overwintering colony losses. We show that the DWV species complex is made up of three master variants. Our results indicate that a new DWV Type C variant is distinct from the previously described types A and B, but together they form a distinct clade compared with other members of the Iflaviridae. The molecular clock estimation predicts that Type C diverged from the other variants ~319 years ago. The discovery of a new master variant of DWV has important implications for the positive identification of the true pathogen within global honey bee populations.

Implications de l’hétérogénéité comportementale et biologique pour la vaccination contre les virus du papillome humain au niveau de la population : modélisation mathématique, revue systématique et méta-analyse

Objectifs : Dans plusieurs pays la couverture vaccinale contre les virus du papillome humain (VPH) est associée aux déterminants sociaux des comportements sexuels et la participation au dépistage du cancer du col utérin. Ces vaccins protègent uniquement contre certains types de VPH, donc leur impact futur sur les VPH nonvaccinaux demeure incertain. L’hétérogénéité comportementale entre individus et biologique entre types de VPH affectera l’efficacité populationnelle de la vaccination contre les VPH. Les objectifs spécifiques de cette thèse étaient 1) de modéliser comment une couverture vaccinale inégale entre filles préadolescentes qui différeront selon leur activité sexuelle et leur participation au dépistage du cancer du col affectera l’efficacité populationnelle de la vaccination, 2) faire une synthèse et comparer les estimés d’efficacité croisée des vaccins contre les VPH dans des populations ADN-négatives aux VPH et 3) d’identifier, avec la modélisation, les devis d’étude épidémiologique qui réduisent les biais dans l’estimation des interactions biologiques entre types de VPH. Méthode : Nous avons utilisé des modèles de transmission dynamique et une revue systématique de la littérature pour répondre aux objectifs. 1) Nous avons modélisé une couverture vaccinale inégale entre filles qui différeront selon leur activité sexuelle et leur participation au dépistage, et examiné les changements postvaccination dans l’inégalité dans la prévalence des VPH et l’incidence des carcinomes malpighien (SCC) du col de l’utérus entre femmes ayant différents comportements. 2) Nous avons effectué une revue systématique et méta-analyse des efficacités croisées des vaccins contre les VPH estimées dans des populations ADNnégatives aux VPH. 3) Nous avons développé des modèles de transmission dynamique et d’interaction de deux types de VPH pour simuler les études épidémiologiques d’interactions entre les VPH. Résultats : Pour l’objectif 1), notre modèle de transmission prédit que l’efficacité populationnelle du vaccin dépendra de la distribution du vaccin dans la population. Après la vaccination, les inégalités absolues dans l’incidence de l’infection et des SCC entre groupes de femmes qui diffèrent selon leur activité sexuelle et leur participation au dépistage devraient diminuer. Inversement, les inégalités relatives pourraient augmenter si les femmes plus sexuellement actives et celles qui ne se font jamais dépister ont une couverture vaccinale moins élevée que les autres. Le taux d’incidence des SCC demeurera élevé chez les femmes qui ne sont jamais dépistées après la vaccination. L’efficacité croisée vaccinale et les interactions biologiques entre VPH ne sont pas encore assez bien caractérisées pour pouvoir prédire l’impact du vaccin sur les types de VPH nonvaccinaux. Pour l’objectif 2), notre méta-analyse des essais cliniques des vaccins suggère que le vaccin bivalent a une efficacité croisée significativement plus élevée que le quadrivalent contre les infections persistantes et lésions précancéreuses avec les VPH-31, 33 et 45. Les essais cliniques plus longs estiment une efficacité croisée plus faible. La modélisation des études épidémiologiques d’interactions pour l’objectif 3) montre que l’estimation des interactions biologiques entre types de VPH dans les études épidémiologiques est systématiquement biaisée par la corrélation entre le temps à risque d’infection avec un type de VPH et le temps à risque d’infection avec d’autres types de VPH. L’ajustement pour des marqueurs d’activité sexuelle ne réussit pas à contrôler ce biais. Une mesure valide des interactions biologiques entre types de VPH peut être obtenue uniquement avec des études épidémiologiques prospectives qui restreignent les analyses à des individus susceptibles ayant des partenaires sexuels infectés. Conclusion : L’hétérogénéité comportementale entre individus et l’hétérogénéité biologique entre VPH affecteront l’efficacité populationnelle du vaccin contre les VPH. Dans les contextes où les déterminants sociaux des comportements sexuels et la participation au dépistage sont aussi associés à la couverture vaccinale chez les préadolescentes, l’inégalité relative dans l’incidence des SCC risque d’augmenter. Ces comportements demeureront des facteurs de risque importants du cancer du col à l’avenir. L’effet à long terme du vaccin sur les types de VPH non-vaccinaux demeure incertain. Quoique nos résultats suggèrent que les vaccins offrent une efficacité croisée contre certains types de VPH, celle-ci pourrait diminuer après quelques années. Des interactions compétitives entre VPH pourraient exister malgré les associations observées entre les incidences des infections VPH, donc une augmentation post-vaccination de la prévalence des VPH non-vaccinaux demeure possible. Des devis d’analyse plus complexes sont nécessaires pour mesurer de façon valide les interactions biologiques entre les VPH dans les études épidémiologiques.

Novel paramyxoviruses in Australian flying-fox populations support host–virus co-evolution

Understanding the diversity of henipaviruses and related viruses is important in determining the viral ecology within flying-fox populations and assessing the potential threat posed by these agents. This study sought to identify the abundance and diversity of previously unknown paramyxoviruses (UPVs) in Australian flying-fox species (Pteropus alecto, Pteropus scapulatus, Pteropus poliocephalus and Pteropus conspicillatus) and in the Christmas Island species Pteropus melanotus natalis. Using a degenerative reverse transcription-PCR specific for the L gene of known species of the genus Henipavirus and two closely related paramyxovirus genera Respirovirus and Morbillivirus, we identified an abundance and diversity of previously UPVs, with a representative 31 UPVs clustering in eight distinct groups (100 UPVs/495 samples). No new henipaviruses were identified. The findings were consistent with a hypothesis of co-evolution of paramyxoviruses and their flying-fox hosts. Quantification of the degree of co-speciation between host and virus (beyond the scope of this study) would strengthen this hypothesis.

Complete genome of a dengue virus serotype 4 strain from Amazonas, Brazil

Dengue virus (DENV) infections represent a significant concern for public health worldwide, being considered as the most prevalent arthropod-borne virus regarding the number of reported cases. In this study, we report the complete genome sequencing of a DENV serotype 4 isolate, genotype II, obtained in the city of Manaus, directly from the serum sample, applying Ion Torrent sequencing technology. The use of a massive sequencing technology allowed the detection of two variable sites, one in the coding region for the viral envelope protein and the other in the nonstructural 1 coding region within viral populations.

Étude du niveau de B Lymphocyte Stimulator (BLyS) et de son impact sur les lymphocytes B en relation avec l’infection et la résistance au virus d’immunodéficience humaine (VIH) chez des travailleuses du sexe au Bénin

L’infection au VIH s’accompagne souvent de dérégulations du compartiment des lymphocytes B qui nuisent à la génération de réponses efficaces. En effet, détectées tôt après l’infection, ces dérégulations perdurent, ne sont pas totalement restaurées par la thérapie, et mènent souvent à des manifestations auto-immunes et lymphomes. Une étude longitudinale de notre groupe, effectuée avec des cellules mononucléées du sang circulant provenant de patients VIH+ avec différents types de progression clinique, a démontré qu’un niveau élevé de BLyS chez des individus VIH+ progresseurs était associé à une dérégulation des fréquences de populations de cellules B avec augmentation de cellules innées de la zone marginale (MZ) présentant des caractéristiques d’immaturité et d’activation. Au contraire, chez des individus VIH+ non-progresseurs avirémiques ou contrôleurs d’élite, les niveaux de BLyS étaient dans la normale et ce sont les fréquences de cellules B MZ plus matures qui étaient diminuées. La résistance au VIH pourrait aussi impliquer le contrôle de BLyS et son impact sur les cellules B. De ce fait, nous avons préalablement recruté une cohorte de travailleuses du sexe (TS) à Cotonou (Bénin) dans laquelle nous avons identifié des femmes qui demeurent séronégatives malgré une exposition soutenue au virus. Nous avons mesuré les niveaux de BLyS dans le sang et dans les lavages cervico-vaginaux (CVL) de TS VIH- et les avons comparés à ceux mesurés chez des TS VIH+ et un groupe contrôle de non-TS VIH- . Nous avons trouvé que les niveaux de BLyS dans le sang et le CVL des TS VIH- étaient inférieurs à ceux des TS VIH+ et des non-TS VIH-. Le niveau d’expression de BLyS à la surface des lymphocytes T, monocytes et cellules dendritiques de TS VIH- était augmenté, mais à un niveau moindre que les TS VIH+. Chez les TS VIH+, les hauts niveaux de BLyS étaient concomitants avec une dérégulation du compartiment B caractérisée par une hyperglobulinémie, une augmentation de la fréquence de populations avec un profil immature/inné et une plus grande proportion de plasmablastes IgG vs IgA. Au contraire, les niveaux inférieurs de BLyS dans le sang des TS VIH- coïncident avec un compartiment B préservé, révélant que les lymphocytes B MZ peuvent être impliqués dans l’immunité naturelle au VIH. Ces résultats démontrent l’importance du contrôle des niveaux de BLyS et du maintien de l’intégrité du compartiment B dans la résistance au VIH.

Étude du niveau de B Lymphocyte Stimulator (BLyS) et de son impact sur les lymphocytes B en relation avec l’infection et la résistance au virus d’immunodéficience humaine (VIH) chez des travailleuses du sexe au Bénin

L’infection au VIH s’accompagne souvent de dérégulations du compartiment des lymphocytes B qui nuisent à la génération de réponses efficaces. En effet, détectées tôt après l’infection, ces dérégulations perdurent, ne sont pas totalement restaurées par la thérapie, et mènent souvent à des manifestations auto-immunes et lymphomes. Une étude longitudinale de notre groupe, effectuée avec des cellules mononucléées du sang circulant provenant de patients VIH+ avec différents types de progression clinique, a démontré qu’un niveau élevé de BLyS chez des individus VIH+ progresseurs était associé à une dérégulation des fréquences de populations de cellules B avec augmentation de cellules innées de la zone marginale (MZ) présentant des caractéristiques d’immaturité et d’activation. Au contraire, chez des individus VIH+ non-progresseurs avirémiques ou contrôleurs d’élite, les niveaux de BLyS étaient dans la normale et ce sont les fréquences de cellules B MZ plus matures qui étaient diminuées. La résistance au VIH pourrait aussi impliquer le contrôle de BLyS et son impact sur les cellules B. De ce fait, nous avons préalablement recruté une cohorte de travailleuses du sexe (TS) à Cotonou (Bénin) dans laquelle nous avons identifié des femmes qui demeurent séronégatives malgré une exposition soutenue au virus. Nous avons mesuré les niveaux de BLyS dans le sang et dans les lavages cervico-vaginaux (CVL) de TS VIH- et les avons comparés à ceux mesurés chez des TS VIH+ et un groupe contrôle de non-TS VIH- . Nous avons trouvé que les niveaux de BLyS dans le sang et le CVL des TS VIH- étaient inférieurs à ceux des TS VIH+ et des non-TS VIH-. Le niveau d’expression de BLyS à la surface des lymphocytes T, monocytes et cellules dendritiques de TS VIH- était augmenté, mais à un niveau moindre que les TS VIH+. Chez les TS VIH+, les hauts niveaux de BLyS étaient concomitants avec une dérégulation du compartiment B caractérisée par une hyperglobulinémie, une augmentation de la fréquence de populations avec un profil immature/inné et une plus grande proportion de plasmablastes IgG vs IgA. Au contraire, les niveaux inférieurs de BLyS dans le sang des TS VIH- coïncident avec un compartiment B préservé, révélant que les lymphocytes B MZ peuvent être impliqués dans l’immunité naturelle au VIH. Ces résultats démontrent l’importance du contrôle des niveaux de BLyS et du maintien de l’intégrité du compartiment B dans la résistance au VIH.

Synonymous co-variation across the E1/E2 gene junction of hepatitis C virus defines virion fitness

Hepatitis C virus is a positive-sense single-stranded RNA virus. The gene junction partitioning the viral glycoproteins E1 and E2 displays concurrent sequence evolution with the 3′-end of E1 highly conserved and the 5′-end of E2 highly heterogeneous. This gene junction is also believed to contain structured RNA elements, with a growing body of evidence suggesting that such structures can act as an additional level of viral replication and transcriptional control. We have previously used ultradeep pyrosequencing to analyze an amplicon library spanning the E1/E2 gene junction from a treatment naïve patient where samples were collected over 10 years of chronic HCV infection. During this timeframe maintenance of an in-frame insertion, recombination and humoral immune targeting of discrete virus sub-populations was reported. In the current study, we present evidence of epistatic evolution across the E1/E2 gene junction and observe the development of co-varying networks of codons set against a background of a complex virome with periodic shifts in population dominance. Overtime, the number of codons actively mutating decreases for all virus groupings. We identify strong synonymous co-variation between codon sites in a group of sequences harbouring a 3 bp in-frame insertion and propose that synonymous mutation acts to stabilize the RNA structural backbone.

A real time Taqman RT-PCR for the detection of rabbit hemorrhagic disease virus 2 (RHDV2)

As key prey, the wild rabbit downsize constitutes a major drawback on the endangered Iberian lynx (Lynx pardinus) re-introduction in the Iberia. Several captive breeding units mostly located in Alentejo, endeavour the wild rabbit repopulation of depleted areas assigned for the lynx re-introduction. Here we report an RHDV2 outbreak that occurred in early 2016 in a wild rabbit captive breeding unit located in Barrancos municipality. The estimated mortality rate between March and April 2016 was approximately 8.67%. Anatomopathologic examination was carried out for 13 victimized rabbits. Molecular characterization was based on the complete vp60 capsid gene. The 13 rabbit carcasses investigated showed typical macroscopic RHD lesions testing positive to RHDV2- RNA. Comparison of the vp60 nucleotide sequences obtained from two specimens with others publically available disclosed similarities below 98.22% with RHDV2 strains originated in the Iberia and Azores and revealed that the two identical strains from Barrancos-2016 contain six unique single synonymous nucleotide polymorphisms. In the phylogenetic analysis performed, the Barrancos-2016 strains clustered apart from other known strains, meaning they may represent new evolutionary RHDV2 lineages. No clear epidemiological link could be traced for this outbreak where the mortalities were lower compared with previous years. Yet, network analysis suggested a possible connection between the missing intermediates from which the strains from Barrancos 2013, 2014 and 2016 have derived. It is therefore possible that RHDV2 has circulated endemically in the region since 2012, with periodic epizootic occurrences. Still, six years after its emergence in wild rabbits, RHDV2 continues to pose difficulties to the establishment of natural wild rabbit populations that are crucial for the self-sustainability of the local ecosystems.

Tracking the Origin of a Rabbit Haemorrhagic Virus 2 Outbreak in a Wild Rabbit Breeding Centre in Portugal; Epidemiological and Genetic Investigation

As key prey, the wild rabbit downsize constitutes a major drawback on the endangered Iberian lynx (Lynx pardinus) re-introduction in the Iberia. Several captive breeding units mostly located in Alentejo, endeavour the wild rabbit repopulation of depleted areas assigned for the lynx re-introduction. Here we report an RHDV2 outbreak that occurred in early 2016 in a wild rabbit captive breeding unit located in Barrancos municipality. The estimated mortality rate between March and April 2016 was approximately 8.67%. Anatomopathologic examination was carried out for 13 victimized rabbits. Molecular characterization was based on the complete vp60 capsid gene. The 13 rabbit carcasses investigated showed typical macroscopic RHD lesions testing positive to RHDV2-RNA. Comparison of the vp60 nucleotide sequences obtained from two specimens with others publically available disclosed similarities below 98.22% with RHDV2 strains originated in the Iberia and Azores and revealed that the two identical strains from Barrancos-2016 contain six unique single synonymous nucleotide polymorphisms. In the phylogenetic analysis performed, the Barrancos-2016 strains clustered apart from other known strains,meaning they may represent new evolutionary RHDV2 lineages. No clear epidemiological link could be traced for this outbreak where the mortalities were lower compared with previous years. Yet, network analysis suggested a possible connection between the missing intermediates from which the strains from Barrancos 2013, 2014 and 2016 have derived. It is therefore possible that RHDV2 has circulated endemically in the region since 2012, with periodic epizootic occurrences. Still, six years after its emergence in wild rabbits, RHDV2 continues to pose difficulties to the establishment of natural wild rabbit populations that are crucial for the self-sustainability of the local ecosystems.

Tracking the Origin of a Rabbit Haemorrhagic Virus 2 Outbreak in a Wild Rabbit Breeding Centre in Portugal; Epidemiological and Genetic Investigation

As key prey, the wild rabbit downsize constitutes a major drawback on the endangered Iberian lynx (Lynx pardinus) re-introduction in the Iberia. Several captive breeding units mostly located in Alentejo, endeavour the wild rabbit repopulation of depleted areas assigned for the lynx re-introduction. Here we report an RHDV2 outbreak that occurred in early 2016 in a wild rabbit captive breeding unit located in Barrancos municipality. The estimated mortality rate between March and April 2016 was approximately 8.67%. Anatomopathologic examination was carried out for 13 victimized rabbits. Molecular characterization was based on the complete vp60 capsid gene. The 13 rabbit carcasses investigated showed typical macroscopic RHD lesions testing positive to RHDV2- RNA. Comparison of the vp60 nucleotide sequences obtained from two specimens with others publically available disclosed similarities below 98.22% with RHDV2 strains originated in the Iberia and Azores and revealed that the two identical strains from Barrancos-2016 contain six unique single synonymous nucleotide polymorphisms. In the phylogenetic analysis performed, the Barrancos-2016 strains clustered apart from other known strains, meaning they may represent new evolutionary RHDV2 lineages. No clear epidemiological link could be traced for this outbreak where the mortalities were lower compared with previous years. Yet, network analysis suggested a possible connection between the missing intermediates from which the strains from Barrancos 2013, 2014 and 2016 have derived. It is therefore possible that RHDV2 has circulated endemically in the region since 2012, with periodic epizootic occurrences. Still, six years after its emergence in wild rabbits, RHDV2 continues to pose difficulties to the establishment of natural wild rabbit populations that are crucial for the self-sustainability of the local ecosystems.