Magyarországi PRRSV törzsek genetikai változásainak vizsgálata térben és időben és az RfRp hatása a vírus evolúciójára
Title in English
Investigation of the genetic diversity of the Hungarian PRRSV strains and the effect of RdRp on their evolution
Keywords in Hungarian
PRRS, PRRSV, RfRp, mentesítés, virus evolúció,
Keywords in English
PRRS, PRRSV, eradication, viral evolution, RdRp
Discipline
Veterinary sciences (Council of Complex Environmental Sciences)
100 %
Ortelius classification: Viral pathogens of animals
Panel
Plant and animal breeding
Department or equivalent
Institute for Veterinary Medical Research (Centre for Agricultural Research)
Participants
Bálint, Ádám Balka, Gyula Mészáros, István Olasz, Ferenc Tóth, Renáta
Starting date
2016-10-01
Closing date
2021-03-31
Funding (in million HUF)
27.625
FTE (full time equivalent)
9.45
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A sertés reprodukciós és légzőszervi szindróma vírus (PRRSV) becsült kártétele az Egyesült Államokban meghaladja a 664 millió dollárt, míg Európai Unióban a 400 millió eurót. A legutóbbi felmérések szerint Magyarországon az ipari sertéstenyésztő telepek 25%(163 a 600 vizsgáltból) fertőzött PRRSV-vel. A gazdasági károk enyhítésére 2010-ben Nemzeti Mentesítési Programot hirdettek azzal a céllal, hogy 2020-ra teljesen eliminálják a vírust az ország területéről. A program végrehajtását hátráltatja a hatékony vakcinák hiánya, valamint a fertőző törzsek diverzitásáról rendelkezésre álló adatok korlátozott volta. Ezért a pályázat egyik fő célja felmérni a hazai PRRSV törzsek genetikai diverzitását, valamint négy éven keresztül térben és időben követni a vírus populáció változásait. A vírus extrém változékonysága rendkívüli módon megnehezíti az ellene való védekezést. Az RNS függő RNS polimeráz (RfRp) főszerepet játszik a mutáns vírusok létrejöttében, és ezeken keresztül felelős a vírus által okozott, egymástól eltérő klinikai tünetekért, a különböző patogenitásért és heterológ fertőzés esetén a vakcinák gyenge hatékonyságáért. Mindennek ellenére keveset tudunk az RfRp működéséről a különféle PRRSV törzsekben és hatásukról vírusok mutációs rátájára. A munka másik célja, hogy összehasonlítsa különböző PRRSV törzsek mutációs rátáit és kiméra vírusok tanulmányozásával felmérje az RfRp szerepét a mutációk kialakulásában és a vírus evolúciójában.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Mekkora a Magyar PRRSV populáció diverzitása? A magyarországi PRRSV törzsek nagyon kis részének ismert a genotípusa, és ez közvetlenül gátolja a mentesítést. E hiány pótlására 80 fertőzött farmról gyűjtünk mintákat. Minden farmról egy-három állattól származó vírusnak meghatározzuk az ORF5 szekvenciáját és megállapítjuk filogenetikai helyét. Hogyan változik a diverzitás térben és időben? A második évtől kezdődően évente újra mintákat gyűjtünk a fertőzött állományokból. A vizsgálatot kiterjesztjük az esetlegesen újonnan fertőzött, valamint a mentesített, de újrafertőzött állományokra is. Mekkora a mutációs frekvenciája a különböző PRRSV törzseknek? Úgy gondoljuk, hogy a bizonyos genotipusoknál tapasztalt mutációs ráta szoros összefüggésben van az egyes törzsek szubpopulációjában mért mutációs frekvenciával, következésképpen az RfRp másolási pontosságával. Ennek bizonyítására négy vírus törzs mutációs frekvenciáját határozzuk meg ultra mély szekvenálással. Mekkora szerepe van az RfRpnek a mutációs ráta nagyságában? Az RfRp szerepének tanulmányozásához először egy nagy mutációs frekvenciájú vírus törzs infekciós klónját készítjük el. Majd kicserélve a klónozott vírus RfRpjét (NSP9) alacsonyabb mutációs frekvenciájú vírusok RfRpjére, kiméra vírusokat hozunk létre. A kiméra vírusok mutációs rátáját az eredeti vírusokéval összehasonlítva következtethetünk az RfRp szerepére a mutációs frekvencia kialakításában.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A tervezett munka részleges és teljes genom szekvenálás segítségével felméri a magyarországi PRRSV törzsek genetikai diverzitását. Négy éven keresztül térben és időben célzottan követi az epidemiológiailag fontos törzsek genetikai változásait. Méri mutációs rátájukat, mutációs frekvenciájukat és tájékoztatást ad az RfRp szerepéről a mutációk létrejöttében. A fertőző törzsek és ezek terjedési dinamikájának ismerete egy geográfiai régión belül közvetlen előnnyel járhat, mivel az ennek tudatában választott módszer alkalmazása olcsóbbá és hatékonyabbá teheti a mentesítési folyamatot. Tehát a tervezett munka jelentősen hozzájárulhat a mentesítés sikeréhez Magyarországon. Irodalmi adatok alapján úgy gondoljuk, hogy az RfRp, hasonlóan a más RNS vírusoknál tapasztaltakkal, jelentős hatással bír a különböző PRRSV törzsek evolúciójában megfigyelt különbségekre. Egy genetikailag stabil vírus izolálása vagy előállítása komoly előnyökkel járna a vakcina fejlesztésben. A PRRSV már a nyolcvanas évek vége óta komoly gondokat okoz a sertésállományokban, de a komoly tudományos erőfeszítések és a jelentős anyagi ráfordítások ellenére egy hatékony vakcina fejlesztése még mindig várat magára. Milliárdos károkat okozva a világon PRRSV komoly fenyegetés maradt az élelmiszer biztonságra mind a mai napig. Azt várjuk, hogy kutatásunk az RfRp hatásáról a vírus evolúciójára új utakat nyit a PRRSV elleni élő vakcinák fejlesztésében. Tudomásunk szerint az az RfRp szerepét a PRRSV mutációs rátájában és genetikai stabilitást biztosító RfRp alkalmazását PRRSV vakcina fejlesztéséhez ezidáig nem tanulmányozták.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A sertés reprodukciós és légzőszervi szindróma vírus (PRRSV) becsült kártétele az Egyesült Államokban meghaladja a 664 millió dollárt, míg Európai Unióban a 400 millió eurót. A legutóbbi felmérések szerint Magyarországon az ipari sertéstenyésztő telepek több mint 25 % (163 a 600 vizsgáltból) fertőzött PRRSV-vel. A gazdasági károk enyhítésére 2010ben Nemzeti Mentesítési Programot hirdettek azzal a céllal, hogy 2020- ra teljesen eliminálják a vírust az ország területéről. A program végrehajtását hátráltatja a hatékony vakcinák hiánya,valamint a fertőző törzsek diverzitásáról rendelkezésre álló adatok korlátozott volta. Ezért a pályázat egyik fő célja felmérni a hazai PRRSV törzsek genetikai diverzitását, valamint négy éven keresztül térben és időben követni a vírus populáció változásait. A vírus extrém változékonysága rendkívüli módon megnehezíti az ellene való védekezést. Az RNS függő RNS polimeráz (RfRp) főszerepet játszik a mutáns vírusok létrejöttében, és ezeken keresztül felelős a vírus által okozott, egymástól eltérő klinikai tünetekért, a különböző patogenitásért és heterológ fertőzés esetén a vakcinák gyenge hatékonyságáért. Mindennek ellenére keveset tudunk az RfRp működéséről a különféle PRRSV törzsekben és hatásukról vírusok mutációs rátájára. A munka másik célja, hogy összehasonlítsa különböző PRRSV törzsek mutációs rátáit és kiméra vírusok tanulmányozásával felmérje az RfRp szerepét a mutációk kialakulásában és a vírus evolúciójában.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Estimated losses caused by Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome Virus (PRRSV) in the USA and EU are at $664 million and €400 million per year respectively. According to the latest survey, today more than 25% of the industrial pig farms (163 of the investigated 600) are infected with PRRSV in Hungary. To mitigate the high economic losses caused by the virus in 2010 a national eradication program was implemented with the goal to eliminate PRRSV until 2020. Successful completion of the PRRSV eradication plan is impeded by the lack of effective vaccine and detailed knowledge about the diversity and geographical distribution of the Hungarian PRRSV strains. One of our main objectives is to survey the genetic diversity of the Hungarian PRRSV population to determine their geographical distribution and follow their spatio-temporal alterations during a four-year period. The high mutability and the extreme antigenic variability make the protection against PRRSV particularly difficult. RNA dependent RNA polymerase (RdRp) of the virus plays a major role in the generation of the constant stream of viral variants that are most probably responsible not only for the wild variety of clinical manifestation of the PRRS but for increased pathogenicity and also for the inefficacy of vaccines against heterologous PRRSV infection. Presently scientific data is scarce about the fidelity of RdRps in different PRRSV genotypes and their effect on the mutation rate. The second objective is to compare the mutation frequencies of viruses from different lineages and to evaluate the role of the RdRp in mutant generation and viral evolution by studying chimeric and field PRRSV strains.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. What is the diversity of the Hungarian PRRSV population in 2015? The genotypes of only a minor fraction of the Hungarian PRRSV population are known that directly hinders the eradication of the virus. To solve this problem, samples will be collected from 80 infected farms. The ORF5 region of 1-3 viral samples/farm will be sequenced to establish their phylogenetic relationship. How does the diversity of the virus change in time? Starting from the second year, ending in the fourth, samples will be recollected yearly from the infected farms. In the full three years interval sampling will be extended over not only earlier sampled noneradicated farms but over newly infected and reinfected herds, too. What is the mutation frequency of different PRRSV genotypes? We hypothesize that the lower field mutation rate of certain genotypes must be in strong correlation with lower mutation frequency in the subpopulation of those viral linages. To prove this we will establish the mutation frequencies of four isolated virus strains by ultradeep sequencing of their progeny populations. What is the role of RdRp in the shaping of mutation frequency? To investigate the influence of the RdRp’s sequence on the mutation frequency, first, the infectious clone of a PRRSV strain with high mutation frequency will be created. Using the infectious clone, chimera viruses will be created by changing the RdRp (NSP9) coding region to that of the other three studied viruses with smaller mutation frequency. Comparing the mutation frequency of the chimera viruses and the wild type viruses we can draw conclusions about the role of RdRp in the mutant generation.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The planned work will survey the genetic diversity of the Hungarian PRRSV population by partial and full genome sequencing over a four year period. It will targetedly follow the spatiotemporal dynamics of genetic changes of epidemiologically important PRRSV lineages. It will measure their mutation rate under field conditions, their mutation frequencies in the quasispecies pool and the impact of RdRp in the generation of mutations. Knowledge about the genotype/s of the infecting PRRSV strains and their spreading dynamics in a geographic area can directly influence the choice of eradication method to make it more effective and economical. So the study will supply invaluable epidemiological data that can significantly contribute to the successful eradication of PRRSV from Hungary. Based on literature data about other RNA viruses, we expect that the genotype of RdRp has a significant effect on the divergent evolution rate experienced with different PRRSV lineages. Finding or creating a genetically stabile virus with low evolution rate would have major impact in vaccine research. PRRSV emerged in the late ‘80s and despite the considerable scientific and financial efforts, all conventional methods (e.g. attenuation by serial passages, chemical inactivation) failed to come up with an effective vaccine. PRRSV remained a direct threat for food safety on large parts of the world. It is still spreading and causing billion dollar losses for producers worldwide. Our research on the effect of RdRp on viral evolution can open an alternative pathway to create an effective and safe modified live vaccine. In our knowledge no research group in the field study the effect of RfRp on the PRRSV mutation rate, and investigates the use of a more accurate RfRp to develop more effective vaccine.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Estimated losses caused by Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome Virus (PRRSV) in the USA and EU are at $664 million and €400 million per year respectively. According to the latest survey, today around 25% of the industrial pig farms (163 of the investigated 600) are infected with PRRSV in Hungary. To mitigate the high economic losses caused by the virus in 2010 a national eradication program was implemented with the goal to eliminate PRRSV until 2020. Successful completion of the PRRSV eradication plan is impeded by the lack of effective vaccine and detailed knowledge about the diversity and geographical distribution of the Hungarian PRRSV strains. One of our main objectives is to survey the genetic diversity of the Hungarian PRRSV population to determine their geographical distribution and follow their spatiotemporal alterations during a four-year period. The high mutability and the extreme antigenic variability make the protection against PRRSV particularly difficult. RNA dependent RNA polymerase (RdRp) of the virus plays a major role in the generation of the constant stream of viral variants that are most probably responsible not only for the wild variety of clinical manifestation of the PRRS but for increased pathogenicity and also for the inefficacy of vaccines against heterologous PRRSV infection. Presently scientific data is scarce about the fidelity of RdRps in different PRRSV genotypes and their effect on the mutation rate. The second objective is to compare the mutation frequencies of viruses from different lineages and to evaluate the role of the RdRp in mutant generation and viral evolution by studying chimeric and field PRRSV strains.
