Delimiting Theileria parva strain diversity towards targeted and unified approaches in the control of T. parva cattle infections

Abstract

The fatality of the tick-transmitted Theileria parva infections in cattle heavily impacts farmers in sub-Saharan Africa who depend on livestock for subsistence. Infection prevention by tick control relying on acaricides is expensive and unsustainable, while cattle vaccination by the “infection and treatment” is marred by ‘breakthrough’ infections in some areas within eastern Africa - where cattle share pasture grazing lands with wild Cape buffaloes. While it is known that buffalo-maintained parasites are diversely heterogeneous than cattle-maintained parasites, there is still a scarcity of parasite genotype data from wildlife-livestock interface areas. Moreover, a definitive genetic basis for differentiating cattle- and buffalo-derived parasites from such co-grazed areas is yet forthcoming. In addressing the two foregoing aspects, this thesis describes studies in which parasite genotypes based on the T. parva sporozoite surface antigen (p67) and the CD8+ antigen Tp2 genes were compared between Tanzanian and Kenyan wildlife-livestock interface areas. In addition, heterogeneity patterns of thirteen full-length near-complete T. parva mitogenomes from East and Southern Africa T. parva strains were examined. In the first set of analyses, T. parva-parasites antigen genes amplified from buffaloes, vaccinated and unvaccinated cattle from wildlife-livestock areas of northern Tanzania where vaccine ‘breakthrough’ have not been reported – despite the presence of Cape buffaloes, were compared against parasites in vaccinated cattle exposed to buffalo-derived T. parva challenge in central Kenya – where vaccine ‘breakthroughs’ have been reported. The analysis revealed additional epitope variants within the Tp2 antigen genes amplified from Tanzanian buffaloes, which adds to the evidence of parasite heterogeneity within the buffalo population. Moreover, a buffalo type p67 (allele 4), an allele reported in South Africa but is rare among East African isolates studied thus far, was identified in Tanzania, while p67 alleles (2 and 3) that are presumptive buffalo origin were observed in Kenyan cattle. In the second set of analyses, the heterogeneity patterns in 13 near-complete mitogenomes revealed seven haplotypes defined by nine SNPs that were initially parsimonious among transforming Theileria; T. parva, T. annulata, T. taurotragi, and T. lestoquardi mitogenomes, with the latter two sequenced in this study for the first time. All nine SNPs were synonymous except for two that cause amino acid substitutions within the cytochrome b gene of buffaloderived strains. Notably, the buffalo‐derived T. parva strains were clustered under one haplotype defined by the same nine SNPs. Further phylogenetic analyses were congruent with nuclear-encoded genes, which rules out possibilities of mitochondria specific inheritance patterns in the analysis. Although preliminary, the totality of the findings in the p67 and Tp2 analyses suggests that whereas the live vaccine can protect against buffalo-derived T. parva, this may be dependent, among other factors, on the parasite infecting genotype. Thus, it is emphasized that a further understanding of T. parva strains diversity and its field population dynamics is key to targeted control of East Coast Fever (ECF) and the related T. parva infections. As such, the identified T. parva mitochondrial haplotypes from this study will be insightful in understanding T. parva epidemiology with important implications for control, prediction of target populations for vaccination, and characterization of breakthrough infections by buffalo T. parva in ITM vaccinated cattle.

Die Tödlichkeit der von Zecken übertragenen Theileria parva-Infektionen bei Rindern hat schwere Auswirkungen auf Landwirte in Afrika südlich der Sahara, die für ihren Lebensunterhalt auf die Viehhaltung angewiesen sind. Die Vorbeugung von Infektionen durch Zeckenbekämpfung, die sich auf Akarizide stützt, ist teuer und nicht nachhaltig, während eine Immunprophylaxe (“infection and treatment method”, ITM) in einigen Gebieten Ostafrikas, wo Hausrinder die Weideflächen mit wilden afrikanischen Büffeln teilen, durch "Durchbruchsinfektionen" beeinträchtigt wird. Obwohl bekannt ist, dass Parasiten, die von Büffeln übertragen werden, heterogener sind als Parasiten, die von Rindern übertragen werden, gibt es immer noch kaum Daten über den Genotyp von Parasiten aus Gebieten, die an der Schnittstelle zwischen Wildtieren und Nutztieren liegen. Eine eindeutige genetische Grundlage zur Unterscheidung von Rinder- und Büffelparasiten aus solchen Gebieten steht noch aus. In Hinblick auf die beiden vorgenannten Aspekte werden in dieser Dissertation Studien beschrieben, in denen Parasitengenotypen basierend auf den T. parva-Sporozoiten-Oberflächenantigen- (p67) und den CD8+-Antigen-Tp2-Genen zwischen tansanischen und kenianischen Wildtier-Vieh-Schnittstellengebieten verglichen wurden. Zusätzlich wurden die Heterogenitätsmuster von dreizehn nahezu vollständigen T. parva-Mitogenomen in voller Länge aus T. parva-Stämmen aus dem östlichen und südlichen Afrika untersucht. In der ersten Analysenreihe wurden die p67- und Tp2-Gensequenzen von Büffeln, geimpften und ungeimpften Rindern aus Wild- und Viehbestandsgebieten im Norden Tansanias, wo trotz des Vorhandenseins von Kap-Büffeln von keinem "Impfdurchbruch" berichtet wurde, mit Gensequenzen von geimpften Rindern verglichen, die an von Büffeln stammenden T. parva in Zentralkenia exponiert waren, wo von einem "Impfdurchbruch" berichtet wurde. Zusätzliche Epitopvarianten innerhalb des Tp2-Antigen-Gens wurden bei tansanischen Büffeln identifiziert, was die Parasitenheterogenität innerhalb der Büffelpopulation weiter ergänzt. Außerdem wurde in Tansania ein Büffeltyp p67 (Allel 4) identifiziert, was vorher in Südafrika gefunden wurde, das aber unter den bisher untersuchten ostafrikanischen Isolaten selten ist, während bei kenianischen Rindern nur p67-Allele (2 und 3) beobachtet wurden, die vermutlich von Büffeln stammen. Bei der zweiten Analysenreihe ergaben die Heterogenitätsmuster in 13 nahezu vollständigen Mitogenomen sieben Haplotypen, die durch neun SNPs definiert wurden, die zunächst unter den transformierenden Theileria parsimonisch waren; T. parva, T. annulata, T. taurotragi und T. lestoquardi Mitogenome, wobei die beiden letzteren in dieser Studie zum ersten Mal sequenziert wurden. Alle neun SNPs waren synonym, mit Ausnahme von zwei, die Aminosäure-Substitutionen innerhalb des cytochrom b-Gens der von Büffeln abstammenden Stämme verursachen. Bemerkenswert ist, dass die von Büffeln stammenden T. parva-Stämme unter einem Haplotyp geclustert wurden, der durch dieselben neun SNPs definiert ist. Weitere phylogenetische Analysen waren kongruent mit nuklearkodierten Genen, was die Möglichkeit von mitochondrienspezifischen Vererbungsmustern in der Analyse ausschließt. Obwohl vorläufig, deutet die Gesamtheit der Befunde in den p67- und Tp2-Analysen darauf hin, dass der Lebendimpfstoff zwar gegen T. parva vom Büffel schützen kann, dies aber neben anderen Faktoren vom Genotyp des Parasiten abhängt, der ihn infiziert. Es wird daher betont, dass ein weiteres Verständnis der Diversität der T. parva-Stämme und ihrer Populationsdynamik im Feld der Schlüssel für eine gezielte Kontrolle des Ostküstenfiebers (ECF) und der damit verbundenen T. parva-Infektionen ist. Die in dieser Studie identifizierten mitochondrialen Haplotypen von T. parva sind aufschlussreich für das Verständnis der T. parva-Epidemiologie mit wichtigen Auswirkungen auf die Kontrolle, die Vorhersage von Zielpopulationen für die Impfung und die Charakterisierung von Durchbruchsinfektionen mit T. parva bei ITM-geimpften Rindern.