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Franzo, Giovanni (2015) Further insight into the molecular epidemiology and evolutionary dynamics of rapidly evolving RNA and ssDNA viruses. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

Rapidly evolving RNA and ssDNA viruses represent a fascinating field characterized by a strict interconnection between the “speculative” study of viral evolution and its practical implications in everyday veterinary medicine.
This thesis has been thought as a collection of manuscripts that aimed to investigate different aspects and levels of viral evolution while still maintaining a focus on practical repercussions. Even if different infectious diseases and etiological agents are considered, they are all functional to the study of different aspects and implications of rapid virus evolution.
Considering the heterogeneous nature of the manuscripts, they have been organized according to a “crescent” scale, starting from the lowest scale of viral evolution and progressing to broader scales.
The manuscript “Viral subpopulations in aMPV vaccines are unlikely to be responsible for reversion to virulence.” addresses a fine-level analysis of the population structure of the AMPV subtype B live attenuated vaccine and its potential role in the previously demonstrated phenomenon of reversion to virulence.
The widespread administration of live attenuated vaccines, despite their obvious advantages in terms of reducing disease prevalence, clinical signs and economic losses, is associated with costs that are not limited to the risk of reversion to virulence or to direct economic costs. Based on a wide collection of Italian samples, “Continued use of IBV 793B vaccine needs reassessment after its withdrawal led to the genotype’s disappearance” reports the impact of these vaccines in complicating the diagnostic process and, as a consequence, the interpretation of the epidemiological scenario in the absence of known vaccine markers.
Obviously, updated knowledge of the strains currently circulating in a particular area is of great relevance for the implementation of proper control strategies. With this aim in mind, a field survey, which is published in “Field survey of Avian Metapneumovirus in Northern Italy”, was conducted on hundreds of Italian farms to estimate and characterize the AMPV strains circulating in our country. To further support frequent and extensive surveys, an assay that is able to detect, quantify and genotype the two AMPV subtypes currently circulating in Italy was developed and validated. Because economic constraints often represent a major limit, efforts were made to reduce the assay costs compared with other real-time RT-PCR methods while still guaranteeing comparable or superior performances (“A Sensitive, Reproducible, and Economic Real-Time Reverse Transcription PCR Detecting Avian Metapneumovirus Subtypes A and B”).
Unfortunately, the diagnosis of rapidly evolving RNA viruses is itself an arduous task that requires a continuous evaluation and updating of diagnostic tools, even in laboratory that receive samples from limited geographic areas. The manuscripts entitled “Observation of high recombination occurrence of Porcine reproductive and respiratory syndrome virus in field condition” and “Phylodynamic analysis of Porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) in Italy: action of selective pressures and interactions between different clades.” address the study of the molecular epidemiology of Porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) in Italy considering the evolutionary forces driving PRRSV evolution at the local scale (i.e., high substitution rate, recombination, interaction between different clades and action of selective pressures). The high heterogeneity of PRRSV in the national contest was then evaluated with respect to the challenges that it poses in the development and validation of RT-PCR- and qRT-PCR-based diagnostic methods (“Validation and comparison of different end point and real time RT-PCR assays for detection and genotyping of porcine reproductive and respiratory syndrome virus”) and assessing its impact on diagnostic accuracy (“The impact of porcine reproductive and respiratory syndrome virus genetic heterogeneity on molecular assay performances”). Similarly, “International trades, local spread and viral evolution: the case of Porcine circovirus type 2 (PCV2) strains heterogeneity in Italy” investigates the genetic variability of PCV2 within national borders and compares it with the knowledge of its molecular epidemiology available from other countries. This study provides evidence regarding the role of both “in loco” evolution and importation of different genotypes and strains from foreign countries in determining the Italian PCV2 genetic heterogeneity. The crescent amount of PCV2 sequences deposited in publically available databases has revealed its marked variability and challenged the current classification criteria. Nevertheless, at least a superficial knowledge of the PCV2 molecular epidemiology is mandatory for the planning and evaluation of control strategies. “Revisiting the Taxonomical classification of PCV2: still a real challenge” proposes new criteria for the classification of PCV2 into different genotypes. Our aim was to provide a scheme that both accounts for the constraint imposed by the biological proprieties of this virus and allows a rapid, practical and easy way to classify PCV2 strains even during routine diagnostic activity. Last, “Genetic characterisation of porcine circovirus type 2 (PCV2) strains from feral pigs in the Brazilian Pantanal: an opportunity to reconstruct the history of PCV2 evolution” investigates more speculative issues inherent to the PCV2 origin. The discovery of a PCV2c genotype, which, to date, was believed to be extinct, in a feral pig population characterized by a peculiar population history and by a complex, and still partially known, relationship network with other PCV2-susceptible species opens exciting scenarios concerning the history and origin of PCV2

Abstract (italiano)

I virus a RNA e a ssDNA rappresentano un affascinante campo di ricerca caratterizzato da una stretta interconnessione fra lo studio di aspetti più “speculativi”, inerenti all’evoluzione virale, e le implicazioni che questi comportano nella pratica veterinaria. La presente tesi è stata concepita come una raccolta di articoli che hanno esplorato diversi aspetti e livelli dell’evoluzione virale senza per questo trascurarne le ripercussioni pratiche. Diverse malattie infettive ed agenti eziologici sono stati selezionati onde investigare i diversi aspetti e implicazioni della rapida evoluzione di questi virus. In considerazione della natura eterogena dei manoscritti prodotti, questi sono stati organizzati secondo una “scala crescente”, dal livello più basso dell’evoluzione virale, procedendo verso scale via via maggiori.
L’elaborato “Viral subpopulations in aMPV vaccines are unlikely to be responsible for reversion to virulence” affronta un analisi ad alta risoluzione della presenza di sottopopolazioni virali nei vaccini vivi attenuati basati sul sottotipo B del metapneumovirus aviare e del loro potenziale ruolo nel determinare fenomeni di reversione a virulenza.
La somministrazione su vasta scala di vaccini vivi attenuati, nonostante gli ovvi vantaggi in termini di riduzione della prevalenza virale, dei segni clinici e delle perdite economiche, è associata a costi che non sono limitati a quelli di tipo meramente pecuniario. Sulla base di un ampia raccolta di campioni italiani, l’articolo “Continued use of IBV 793B vaccine needs reassessment after its withdrawal led to the genotype’s disappearance” descrive l’impatto di questi vaccini, in assenza di marker vaccinali noti, nel complicare il processo diagnostico e, conseguentemente, l’interpretazione dello scenario epidemiologico.
Ovviamente, una conoscenza aggiornata degli stipiti virali circolanti in una particolare area è di fondamentale importanza per l’implementazione di adeguate misure di controllo. Con quest’obiettivo in mente, uno studio di campo , pubblicato in “Diffusione dell’infezione da metapneumovirus aviare in allevamenti di tacchini e broiler nel Nord Italia”, è stato condotto su centinaia di allevamenti al fine di stimare e caratterizzare i ceppi di AMPV circolanti nel nostro territorio. In aggiunta, al fine di favorire studi sempre più frequenti e estesi, è stato sviluppato un test diagnostico in grado di rilevare, quantificare e tipizzare i sottotipi di AMPV attualmente circolanti in Italia. In considerazione del fatto che le spese relative a questi test rappresentano spesso uno dei maggiori limiti all’attività diagnostica e di ricerca, si è cercato di ridurre i costi rispetto ad altre metodiche comunemente utilizzate, garantendo nel contempo le medesime o migliori performance diagnostiche(“A Sensitive, Reproducible, and Economic Real-Time Reverse Transcription PCR Detecting Avian Metapneumovirus Subtypes A and B”).
Sfortunatamente la diagnosi dei virus a RNA, essendo caratterizzati da una rapida evoluzione, rappresenta di per se stessa un ardua sfida e richiede una continua dedizione alla rivalutazione e aggiornamento delle metodiche diagnostiche esistenti. Gli articoli Observation of high recombination occurrence of Porcine reproductive and respiratory syndrome virus in field condition” e “Phylodynamic analysis of Porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) in Italy: action of selective pressures and interactions between different clades.” sono incentrati sullo studio dell’epidemiologia molecolare del Porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) in Italia. In particolare sono state studiate le forze evolutive che ne modellano e condizionano l’evoluzione (i.e., alto tasso di sostituzione nucleotidica, interazione fra differenti clade e azione di diverse pressioni selettive). L’elevata eterogeneità genetica di PRRSV nel nostro territorio è stata poi analizzata alla luce delle sue ripercussioni nello sviluppo e validazione di metodiche diagnostiche basate sull’uso della RT-PCR e qRT-PCR (“Validation and comparison of different end point and real time RT-PCR assays for detection and genotyping of porcine reproductive and respiratory syndrome virus”) e ne è stato valutato l’impatto sull’accuratezza diagnostica (“The impact of porcine reproductive and respiratory syndrome virus genetic heterogeneity on molecular assay performances”).
Similmente, “International trades, local spread and viral evolution: the case of Porcine circovirus type 2 (PCV2) strains heterogeneity in Italy”, indaga la variabilità genetica di PCV2 all’interno dei confine nazionali comparandola altresì con le informazioni di epidemiologia molecolare disponibili per altri Stati. Il presente studio ha permesso di fornire significative evidenze sul ruolo sia dei commerci internazionali che dell’evoluzione “in loco” nel determinare l’eterogeneità di PCV2 riscontrata in Italia.
Il progressivo aumento delle sequenza di PCV2 depositate in database pubblici ne ha dimostrato la grande variabilità su scala mondiale e ha evidenziato i limiti dei criteri di classificazione attualmente in uso. Tuttavia, una conoscenza quantomeno superficiale dell’epidemiologia molecolare di PCV2 è di basilare importanza per la pianificazione e la valutazione delle strategie di controllo. “Revisiting the Taxonomical classification of PCV2: still a real challenge” propone dei nuovi criteri per la classificazione di questo virus in diversi genotipi. Il nostro intento è stato quello di fornire uno schema che, pur tenendo conto dei limiti imposti dalle caratteristiche biologiche del virus, permettesse una rapida, pratica e facile genotipizzazione dei ceppi di PCV2 e che potesse quindi rispondere alle esigenze imposte dalla routinaria l’attività diagnostica. Infine, “Genetic characterisation of porcine circovirus type 2 (PCV2) strains from feral pigs in the Brazilian Pantanal: an opportunity to reconstruct the history of PCV2 evolution”, si confronta con il campo, più specualtivo, dell’origine di PCV2. La scoperta di un ceppo appartenente al genotipo PCV2c, sino ad oggi ritenuto estinto, in una popolazione di suini selvatici caratterizzata da una peculiare storia e da complesse, a ancora solo parzialmente conosciute, relazioni con altre specie suscettibili a questo patogeno, apre nuovi ed eccitanti scenari concernenti la storia e l’origine di PCV2

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Drigo, Michele
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 27 > scuole 27 > SCIENZE VETERINARIE
Data di deposito della tesi:28 Gennaio 2015
Anno di Pubblicazione:28 Gennaio 2015
Parole chiave (italiano / inglese):Virus, evolution, classification, epidemiology, phylogenesis, phylodynamics, NGS, veterinary, diagnostic, molecular biology, PRRSV, PCV2, aMPV, IBV
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 07 - Scienze agrarie e veterinarie > VET/05 Malattie infettive degli animali domestici
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Medicina Animale, Produzioni e Salute
Codice ID:7657
Depositato il:12 Nov 2015 09:56
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