Evolutionary dynamics of RNA viruses with zoonotic potential

RNA viruses with zoonotic potential represent a public health threat throughout the world. High mutation rates, short generation times and large population sizes are three factors responsible for their high genetic variability and enormous adaptive capacity to new environmental conditions. Understanding the genetic properties and the evolutionary dynamics of RNA viruses with zoonotic potential is crucial to prevent, control, treat and lessen the damage to animal and human health. This thesis investigates the most essential aspects related to the evolution and epidemiology of two widespread zoonotic diseases caused by two RNA viruses: Avian Influenza and rabies. Through the application of bioinformatics tools, I analysed a large amount of sequence data, generated using both first and second generation sequencing technology, from viruses collected during four distinct epidemics: a fox-rabies virus epidemic occurred in north-eastern Italy between 2008 and 2011, highly pathogenic H5N1 avian influenza outbreaks reported in Egypt between 2006 and 2010, and two avian influenza epidemics caused by two distinct subtypes that took place in northern Italy from 1999 to 2001 and 2002 to 2004. Through phylogenetic and Bayesian phylogeographic analyses of viral sequences sampled over multiple discrete spatio-temporal scales, the studies in this thesis reveal the co-circulation of multiple viral lineages, explore the viral gene flows and investigate the evolutionary dynamics of viruses under different selection pressures. In addition, to better understand the pattern of transmission of viral subpopulations from host to host, the intra-host variability and the evolution of viral pathogenicity, I employed an ultra-deep sequencing approach to assess the diversity of viral populations. The data generated in this thesis provide important insights into the a) impact and efficacy of surveillance strategies and control measures implemented during an outbreak, b) differences in the evolutionary dynamics and spatial spread between distinct genetic groups, c) emergence of amino acid mutations that may increase viral fitness, d) inter-host transmission of viral variants and e) gain of virulence determinants. Finally, this thesis shows the great opportunity offered by next generation sequencing technology for dramatic advancement in our understanding of the complicated evolutionary dynamics of these pathogens

I virus a RNA con potenziale zoonosico rappresentano una seria minaccia per la salute pubblica a livello mondiale. L’elevato tasso di mutazione, i rapidi tempi di replicazione e le ingenti dimensioni della popolazione sono tre peculiarità all’origine delle potenzialità di questi patogeni in termini di variabilità genetica e capacità di adattamento a diverse condizioni ambientali. Comprendere le caratteristiche genetiche e le dinamiche evolutive dei virus a RNA con potenziale zoonosico è fondamentale al fine di prevenire, controllare, curare e ridurre i danni che provocano alla salute degli animali e dell’uomo. Questa tesi si occupa dello studio dell’epidemiologia e dell’evoluzione molecolare di due zoonosi di origine virale diffuse a livello mondiale: l’influenza aviaria e la rabbia. Un elevato numero di dati genetici, generati con l’utilizzo di tecniche di sequenziamento di prima (sequenziamento Sanger) e seconda (Next Generation Sequencing) generazione, sono stati analizzati mediante l’utilizzo di strumenti bioinformatici. Tali sequenze sono state ottenute da campioni raccolti nel corso di quattro diverse epidemie: un’epidemia di rabbia silvestre verificatasi nel nord-est Italia tra il 2008 e il 2011, focolai epidemici di influenza aviaria causati dal sottotipo H5N1 ad alta patogenicità descritti in Egitto tra il 2006 e il 2010, e due ondate epidemiche provocate da due diversi sottotipi influenzali aviari H7N1 e H7N3 che hanno colpito l’Italia settentrionale nei periodi 1999 - 2001 e 2002 - 2004. Attraverso l’analisi filogenetica e filogeografica di sequenze virali rappresentative a livello spazio-temporale delle varie epidemie, è stato possibile identificare la co-circolazione di diversi gruppi genetici, determinare il flusso genico e studiare le dinamiche evolutive di virus sottoposti a pressioni selettive di varia natura, come ad esempio la vaccinazione. Inoltre, grazie all’applicazione di un approccio di tipo deep sequencing, questo studio ha permesso di comprendere meglio i meccanismi di trasmissione delle sottopopolazioni virali da un ospite all’altro, la variabilità intra-ospite della popolazione virale e l’evoluzione della patogenicità. I risultati presentati in questa tesi permettono di ampliare le nostre conoscenze a) sull’impatto e l’efficacia delle misure di sorveglianza e controllo applicate nel corso delle epidemie studiate, b) sulle dinamiche evolutive e sulla diffusione spaziale di virus appartenenti a diversi gruppi genetici, c) sull’emergenza di mutazioni amminoacidiche potenzialmente correlate a un aumento della fitness virale, d) sulla trasmissione a livello inter-ospite di varianti virali e e) sull’acquisizione di determinanti di virulenza. Infine, il presente studio evidenzia le enormi potenzialità della tecnologia di Next Generation Sequencing nel favorire la comprensione delle complicate dinamiche evolutive dei patogeni emergenti