In silico detection of highly diverse RNA viruses in insects and mammals

Abstract

RNA viruses are among the fastest-evolving biological entities and infect a broad range of organisms. They not only cause some of the most notorious and deadly human diseases, but they are also diverse in a number of characteristics, such as the presence/absence of an envelope, the genomic orientation, and the number of genomic segments, to name a few. As virus research is mainly focused on human, livestock, and crop pathogens, a large proportion of viruses is generally neglected and especially those that occur in hosts that are not directly significant to humans. Yet, viruses remain ubiquitous and the field of virus discovery provides a fundamental basis for understanding virus emergence and evolution. Also, the detection of closely-related viruses in distantly-related hosts offers insight and preparedness on emerging diseases.

Insects are an important disease vector and transmit a large variety of pathogenic viruses. Thus, viruses in non-blood-feeding insects are not studied in the same extent as viruses that occur in blood-feeding insects. However, blood-feeding insects represent only a tiny fraction of the enormous insect diversity. Computational analyses of the transcriptome of 1,243 insect species revealed viruses associated with a multitude of single-stranded RNA virus families of both positive- and negative-sense RNA orientation. This insect dataset is designed to have a worldwide sampling that represents all extant orders. The here-presented virus findings provide insights into insect virus diversity which is largely unexplored. Host associations contribute to broadening the general understanding of virus evolution within viral taxonomic units. With regards to viruses with a segmented genome, co-segregation phylogenetic analysis offers a useful tool to study segment reassortment. Consulting current virus taxonomic classification criteria, many of the identified viruses signify new viral species and genera, and, in some cases, phylogenetic topologies suggest taxonomic reforms of existing ranks.

The only RNA virus with a completely unknown origin and with no other known counterpart until recently was the human Hepatitis delta virus (HDV). The here-discovered rodent deltavirus is the first non-human mammalian deltavirus reported, shedding light into the evolutionary history of HDV. Rodent deltavirus occurs in rodents of the species Proechimys semispinosus, mainly in adult males. Genome assembly, annotation, and experimental virus replication studies show that this viral agent successfully replicates in vitro and expresses one protein, the small delta antigen, which does not carry the necessary C-terminal motif for assembly into HBV envelope proteins. Although the debate of whether deltaviruses fulfill the virus definition criteria still holds, the non-human deltavirus findings resolve fundamental questions on the origin of HDV.

RNA-Viren gehören zu den sich am schnellsten entwickelnden biologischen Einheiten und infizieren ein breites Spektrum von Organismen. Sie verursachen nicht nur einige der berüchtigtsten und tödlichsten menschlichen Krankheiten, sondern sind auch vielfältig in einer Reihe von Merkmalen, wie z.B. das Vorhandensein/Fehlen einer Hülle, die genomische Ausrichtung und die Anzahl der genomischen Segmente, um nur einige zu nennen. Da sich die Virusforschung hauptsächlich auf Erreger von Menschen, Nutztieren und Nutzpflanzen konzentriert, wird ein großer Teil der Viren im Allgemeinen vernachlässigt, insbesondere diejenigen, die in Wirten vorkommen, die für den Menschen nicht direkt von Bedeutung sind. Dennoch sind Viren nach wie vor allgegenwärtig, und das Feld der Virusentdeckung bietet die Grundlage für das Verständnis der Entstehung und Evolution von Viren. Außerdem bietet der Nachweis eng verwandter Viren in entfernt verwandten Wirten Einblicke und Vorsorge für neu auftretende Krankheiten.

Insekten sind ein wichtiger Krankheitsüberträger und übertragen eine große Vielfalt an pathogenen Viren. Daher werden Viren in nicht blutfressenden Insekten nicht in demselben Umfang untersucht wie Viren, die in blutfressenden Insekten vorkommen. Blutfressende Insekten stellen jedoch nur einen winzigen Bruchteil der enormen Insektenvielfalt dar. Computergestützte Analysen des Transkriptoms von 1.243 Insektenarten ergaben Viren, die zu einer Vielzahl von einzelsträngigen RNA-Virusfamilien mit positiver und negativer RNA-Orientierung gehören. Dieser Insektendatensatz ist so angelegt, dass eine weltweite Stichprobe vorliegt, die alle existierenden Ordnungen repräsentiert. Die hier vorgestellten Virus-funde geben Einblicke in die weitgehend unerforschte Virusvielfalt der Insekten. Wirtsassoziationen tragen dazu bei, das allgemeine Verständnis der Virusevolution innerhalb viraler taxonomischer Einheiten zu erweitern. Im Hinblick auf Viren mit einem segmentierten Genom, bietet die phylogenetische Co-Segregationsanalyse ein nützliches Werkzeug zur Untersuchung des Segment-Reassortiments. Unter Berücksichtigung der aktuellen taxonomischen Klassifizierungskriterien für Viren, stellen viele der identifizierten Viren neue virale Spezies und Gattungen dar und in einigen Fällen legen die phylogenetischen Topologien taxonomische Reformen bestehender Ränge vor.

Das einzige RNA-Virus mit völlig unbekanntem Ursprung, zu dem bis vor kurzem kein Gegentück bekannt war, war das menschliche Hepatitis-Delta-Virus (HDV). Das hier entdeckte Nagetier-Deltavirus ist das erste nicht-menschliche Säugetier-Deltavirus, über das berichtet wurde, und wirft ein Licht auf die Evolutionsgeschichte von HDV. Das Nager-Deltavirus kommt bei Nagetieren der Art Proechimys semispinosus vor, hauptsächlich bei erwachsenen Männchen. Genomassemblierung, Annotation und experimentelle Virusreplikationsstudien zeigen, dass dieser virale Erreger sich erfolgreich in vitro repliziert und ein Protein, das kleine Delta-Antigen, exprimiert, das das notwendige C-terminale Motiv für die Assemblierung zu HBV-Hüllproteinen nicht trägt. Obwohl die Debatte darüber, ob Deltaviren die Kriterien der Virusdefinition erfüllen, immer noch andauert, beantworten die Erkenntnisse über nicht-humane Deltaviren grundlegende Fragen über den Ursprung von HDV.