AG Junglen - Ökologie und Evolution von Arboviren

Durch Arthropoden übertragene Viren (Arboviren) replizieren natürlicherweise in enzootischen Zyklen zwischen blutsaugenden Arthropoden und Wildtieren, die Amplifikationswirte dienen. Arboviren können auf den Menschen überspringen, aber der Mensch ist meist ein Fehlwirt, d.h. von ihm geht keine weitere Infektion aus. Es können sich allerdings auch urbane Zyklen ausbilden, bei dem der Mensch als Wirt und anthropophile Moskitos als Vektoren dienen. Im Hinblick auf die globale Ausbreitung von Arboviren, ist es wichtig zu verstehen welche Faktoren die Vektorkompetenz und damit die Überschreitung der Speziesbarriere beeinflussen, um abschätzen zu können, welche Arboviren sich an epidemische Zyklen anpassen können und das Potential besitzen Epidemien auszulösen.

RNA Interferenz (RNAi) ist ein wichtiger antiviraler Verteidigungsmechanismus in Insekten und auch in Moskitos. Viele der insektenspezifischen Viren haben im Gegenzug Mechanismen entwickelt mit denen sie die antivirale Antwort unterdrücken können. Das Ziel der ersten Förderperiode war es die Rolle von RNAi in mit Flaviviren infizierten Moskitos zu verstehen. Um eine Unterdrückung der RNAi Antwort nachweisen zu können, haben wir robuste Nachweissysteme etabliert. Wir konnten keine Unterdrückung der RNAi Antwort durch Moskito-spezifische und –übertragene Flaviviren feststellen. Eine Untersuchung der kleinen RNAs in Aedes Zellen, die entweder mit Viren mit Aedes- oder Culex-Tropismus infiziert wurden, zeigte, dass ähnliche Level von kleinen RNAs gebildet wurden. Interessanterweise wurden bei zwei der untersuchten Flaviviren zusätzlich zu ‚small interfering RNAs’ (siRNA) auch kleine RNAs mit den Eigenschaften von piwi-assoziierten RNAs (piRNAs) gefunden.

Ziel dieses Projektes ist es, die Rolle von antiviralen RNAi und piRNA Antworten und viralen Abwehrmechanismen im Bezug auf die Vektorkompetenz von Moskitos zu verstehen. Parallel zu den mit Flaviviren durchgeführten Versuchen der ersten Förderperiode, werden wir die Induktion und Unterdrückung der RNAi Antwort von repräsentativen Bunyaviren, mit unterschiedlichem Wirtstropismus und Ursprung (sylvatisch oder epidemisch) untersuchen. Außerdem werden wir kleine RNAs in natürlich infizierten Moskitos und die Unterdrückung der RNAi Antwort durch repräsentative neuartige Viren in natürlich infizierten Moskitos, die im Rahmen des SPP1596 untersucht werden, analysieren.

Arboviren stellen eine wichtige Gruppe von menschlichen und tierischen Pathogenen dar und ihre Ausbreitung erfordert ein genaues Verständnis von Vektorkompetenz. Dieses Projekt wird dazu beitragen zu verstehen, warum bestimmte Viren in bestimmten Moskitos replizieren können. Solche Erkenntnisse sind wichtig, um abschätzen zu können, ob Arboviren die Fähigkeit besitzen Speziesbarrieren überschreiten zu können und das Potential besitzen in epidemische Amplifikationszyklen überzugehen.

Trotz intensiver Forschungsanstrengungen  in den letzten Jahren ist bislang nur sehr wenig über die grundlegenden ökologischen Mechanismen bekannt, welche die Prävalenz, das evolutive Potenzial und vor allem auch den Ausbruch von Viren aus Wildtierreservoiren beeinflussen. Die Dynamik und die auslösenden Faktoren viraler Infektionen können dabei nur durch ganzheitliche Ansätze verstanden werden, welche die Merkmale von Wirt und Virus berücksichtigen. In unserem Forschungsnetz wollen wir im rahmen der Hypothese des Verdünnungseffektes (´Dilution effect`) ökologische, verhaltensbasierte und genetische Determinanten der Virenevolution identifizieren. Dabei erfassen wir zunächst die Folgen der Habitatdegradiation auf die Zusammensetzung von Wirtspopulationen, Ihre Abundanzmuster und die immungenetische Kompetenz generalistischer Arten, um diese dann in Bezug zur Virenprevalenz und Virendiversität zu setzen. Wir konzentrieren uns dabei auf drei Gruppen von Vertebraten, Fledermäuse, Nager und Beuteltiere, sowie auf potenziell sanguivore und damit als Virenvektoren bedeutsame Mückenarten. Nachdem wir in der ersten Förderphase wichtige basale ökologische Korrelationsparameter gewinnen konnten, stehen in der zweiten Phase nun die ökologische Validierung und Modellierungen sowie die Analysen der Wirt-Virus-Netzwerke an, über die wir die Entwicklung und Dynamik von Schwerpunkten der Virenmutation (´hot spots`) in anthropogen überformten Landschaften erklären können. Zentrales Ziel ist dabei das Verständnis der Prozesse und Mechanismen die bestimmen, wie der Verlust von Arten und Häufigkeitsveränderungen widerstandfähigerer Arten die Virenökologie beeinflussen, und auf diese Weise zu einer Infektionszunahme und Diversifizierung der Pathogene in Artengemeinschaften führen können.

Vektor-übertragene Krankheiten sind für schätzungsweise 17% aller Infektionskrankheiten verantwortlich und verursachen jährlich mehr als 1 Million Todesfälle. Durch blutsaugende Arthropoden übertragene RNA-Viren (Arboviren) stellen ein besonders hohes Risiko dar, da sie sich sehr schnell geographisch ausbreiten und gravierende Epidemien in immun-naiven Populationen verursachen können, beispielsweise durch Zika-, Chikungunya-, Dengue- und Rift-Tal-Fieber Virus. Über die enzootischen Erhaltungszyklen und die Inzidenz von Arbovirosen in den afrikanischen Herkunftsländern ist sehr wenig bekannt. Bisher waren fast ausschließlich moskitoübertragene Viren Gegenstand der Forschung, während anderen blutsaugenden Arthropoden wie Gnitzen, Zecken und Sandfliegen kaum Beachtung geschenkt wurde. Diese Vektoren übertragen u.a. das Schmallenberg Virus, Krim-Kongo Virus und Phleboviren. Das hier vorgeschlagene Kooperationsprojekt ist an einem der renommiertesten Afrikanischen Entomologie-Institute angesiedelt und zielt darauf ab, ein umfassendes Verständnis über die Infektionsbiologie der wichtigsten Arbovirosen in Kenia zu erlangen. Insbesondere sollen die Virusquellen, die infektionsrelevanten Auswirkungen auf die Bevölkerung und die gesellschaftlichen Auswirkungen von Arbovirosen herausgearbeitet werden. Im gesamten Projekt wird eine hohe Priorität auf die Ausbildung von Nachwuchswissenschaftlern und den Aufbau von Kapazitäten gelegt, um Strukturen für unabhängige Arbeit in einem afrikanischen Forschungsumfeld zu schaffen. Die Forschungsarbeiten besitzen einen lokalen und exemplarischen Fokus, der die Ausbildung und den Technologietransfer begünstigt. Die Ergebnisse werden eine weit überregionale Bedeutung haben, da die Arbeiten in einer der weltweit bedeutendsten Ursprungsregionen für Abovirosen angesiedelt sind. Die Hauptziele des Projekts sind:1. Die Untersuchung der ökologischen Quelle von Arbovirus-Ausbrüchen, einschließlich des Repertoires von relevanten Arboviren in Arthropoden und in Zucht- und Wildtieren, die zur Amplifikation beitragen. 2. Den Einfluss von Arbovirosen auf öffentliche Gesundheit und Sozialstrukturen durch komplementäre Ansätze von labor-basierter Epidemiologie und Sozialwissenschaften zu erfassen.3. Praktische und theoretische Ausbildung, sowie gezielten Kapazitätsaufbau in den Bereichen Krankheitsökologie, Veterinärmedizin, Agrar- und Sozialwissenschaften und humaner Virologie zu gewährleisten. Die generierten Daten und Ausbildungsinhalte werden dazu beitragen, die wichtigsten Arbovirus-Erkrankungen lokal zu kontrollieren und damit die Wahrscheinlichkeit einer geographischen Ausbreitung zu begrenzen.

(Transregio CRC228, Projekt B02)

Zusammenfassung folgt

Vektor-übertragene Krankheiten sind für ca. 1/5 aller Infektionskrankheiten verantwortlich. Insbesondere durch Moskitos übertragene Krankheiten können sich schnell in neue geographische Regionen ausbreiten, an neue Wirte anpassen und schwer wieder einzudämmende Epidemien auslösen. Unser Wissen über die Diversität, Evolution und geographische Ausbreitung von Arboviren basiert hauptsächlich auf epidemischen Virusvarianten, die Menschen und domestizierte Tiere bereits als Wirte erschlossen haben.
Ziel dieses Projektes ist es kritische Lücken in unserem Wissen über prä-epidemische Virusvarianten und deren Ausbreitung zu füllen. Durch eine umfassende Probensammlung von Moskitos in ungestörten tropischen Ökosystemen, soll die taxonomische Diversität an Arboviren erfasst werden und die zugrundeliegenden ökologischen und genetischen Mechanismen, die eine Ausbreitung epidemischer Varianten aus sylvatischen Amplifikationszyklen begünstigen, charakterisiert werden.
Das Arbeitsprogramm ist in drei Teilprojekte gegliedert:
• Erfassung der vollständigen taxonomischen Diversität an Arboviren, inklusive neuer tiefer phylogenetischer Linien, basierend auf einer Probensammlung in den drei wichtigsten afrikanischen Vegetationstypen Flachland-Regenwald, Berg-Regenwald und Savanne.
• Identifizierung der Dynamik von Infektionskrankheiten in natürlichen und anthropogen veränderten Lebensgemeinschaften. Moskito-assoziierte Viren sollen als Mulit-Wirt und Multi-Pathogen System für die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen der Zusammensetzung der Wirtspopulation und der Prävalenz und Diversität von Arboviren herangezogen werden.
• Untersuchung der Evolution von Viruspopulationen entlang von Störungsgradienten basierend auf genetischen und phänotypischen Veränderungen.
Mit diesen Analysen wird zum ersten Mal eine Bewertung mikroevolutionärer Prozesse während der viralen Habitatausbreitung ermöglicht.