Diversität und Evolution von Adenoviren bei Primaten in Subsahara-Afrika

Abstract

Humane Adenoviren (HAdV A-G) sind in der Bevölkerung sowie bei nichthumanen Primaten (NHP) weit verbreitet. HAdV-B ist ein bedeutender Erreger bei Respirationstrakt-, Augen- und Harnwegsinfektionen des Menschen und wurde auch im Kot von NHP in großen Mengen nachgewiesen. Die Biodiversität und Evolution von HAdV-B wurde bisher nicht im Detail untersucht. Ziel der vorliegenden Studie war es, die molekulare Epidemiologie von HAdV von Menschenaffen und Menschen im tropischen Afrika mit Schwerpunkt auf HAdV-B zu untersuchen, die Art und Häufigkeit der Übertragungen von HAdV-B zu bestimmen und rekombinante HAdV-B in wilden Menschenaffen zu identifizieren. Hierzu wurden 568 Kotproben von acht wilden Menschenaffen-Unterarten aus neun Waldgebieten in ganz Afrika südlich der Sahara in die Studie eingeschlossen. Zusätzlich wurden 292 Stuhlproben von Menschen untersucht, die in benachbarten Dörfern von vier der Waldgebiete lebten. Die Analyse aller Proben mit generischen und spezifischen PCR-Systemen ergab eine hohe HAdV-Prävalenz für alle Wirte: Die kumulative Primaten-AdV-Prävalenz lag bei 51% (75/146) bei Schimpansen, 94% (79/84) bei Bonobos, 74% (251/338 ) bei Gorillas, und 69% (201/292) beim Menschen. Während HAdV-C in allen untersuchten Spezies gefunden wurden, wurde HAdV-D nur bei Menschen und HAdV-E nur bei Schimpansen und Bonobos gefunden. HAdVB wurde bei 55% aller untersuchten Gorillaspezies und in wenigen Schimpansen detektiert. HAdV-B wurden nicht bei Menschen und Bonobos gefunden. Um die evolutionären Beziehungen von HAdV der Menschenaffen und Menschen zu untersuchen, wurde umfangreicheres Sequenzmaterial mittels Durchführung von Long Distance PCR erfasst, die einen Block aus 4 Genen (V, pX, pVI, Hexon) amplifiziert. Zuerst wurde die genetische Vielfalt mittels PhyML (maximum likelihood phylogenies) untersucht und dabei eine hohe Diversität in HAdV-B von Gorillas gefunden. In einem nächsten Schritt wurden im Rahmen einer Bayes-Analyse Gorillas als statistisch bestgestützte Wirtvorfahren der gesamten HAdV-B-Gruppe identifiziert. Der Ursprung der Spezies HAdV-B in Gorillas geht einher mit Übertragungsereignissen auf Menschen und Schimpansen. Diese Übertragungsereignisse sind quantifiziert worden mit 6-7 Wirtswechseln vom Gorilla auf den Schimpansen sowie 2 Wirtswechseln vom Gorilla auf den Menschen. Mithilfe eines Bayes-Chronogramms konnten die Übertragungen zeitlich eingeordnet werden, wobei eine niedrige HAdV-B-Übertragungsrate von Gorillas mit einem Mittelwert von 2,2 Übergängen zu Schimpansen pro Mio. J. und 0,7 Übergänge auf den Menschen pro Mio. J. errechnet wurde. Interessanterweise wurden Übertragungsereignisse ermittelt, die stattgefunden haben müssen bevor der moderne Homo sapiens auftrat, sodass schlussgefolgert werden kann, dass HAdV-B-Viren die Gesundheit des Menschen schon frühe Vorfahren des modernen Menschen beeinflusst haben müssen. Wenn Übertragungen von HAdV-B zwischen Mensch und NHP auftreten, liegt die Vermutung nahe, dass auch eine Rekombination zwischen ihnen auftritt. Für Rekombinationsstudien von HAdV-B von wilden Gorillas wurden größere Genomfragmente mittels Amplifikation weit überlappender PCR-Fragmente erzeugt. Ein nahezu vollständiges HAdV-B-Genom von einem wilden Gorilla und bisher veröffentlichte HAdV-B Genome von NHP wurden mit einer mVISTA Analyse mittels paarweiser Genomvergleiche untersucht. Während der zentrale Teil des Genoms am ähnlichsten zu einem HAdV-B-Genom von einem in Gefangenschaft gehalten Gorilla (SAdV-28.2) ist, waren die äußeren Abschnitte am ehesten mit einem HAdV-B-Genom von einem in Gefangenschaft gehaltenen Schimpansen (SAdV-33) verwandt. Nachfolgend wurden vergleichende phylogenetische Analysen durchgeführt, bei der allgemeine Hotspots (Pentonbasis, Hexon-Gen; Fiber-Gen) der AdV Rekombination untersucht wurden. Die ermittelten phylogenetischen Bäume zeigen Diskordanz in Form und Subgruppenkomposition des HAdV-B-Baums, was auf genomweite Rekombination während der Evolution der Mitglieder der Spezies HAdV-B in wilden Gorillas hindeutet. Es konnte aufgezeigt werden, dass Rekombination zwischen HAdV-B auch in natürlichen Lebensräumen und nicht nur unter Lebensbedingungen mit künstlich erzeugter Nähe zwischen Primaten, wie in Zoologischen Gärten, auftritt. Gegenwärtige Übertragungen von HAdV-B von Menschenaffen auf den Menschen mit anschließender Entstehung von pathogenen Rekombinanten kann somit nicht ausgeschlossen werden. Die Wahrscheinlichkeit für eine Infektion mit derartigen rekombinanten AdVs ist für Menschen in einigen Regionen Afrikas südlich der Sahara aufgrund der hohen Prävalenz von HAdV in NHP und der überlappenden Lebensräume von Mensch und Menschenaffen sowie der Jagd und dem Handel von Buschfleisch erhöht. Aus den Erkenntnissen dieser Studie ist zu schlussfolgern, dass beim Menschen zirkulierende HAdV-B zoonotischen Ursprungs sind. Im Hinblick auf die erhebliche Bedeutung von Zoonosen für die öffentliche Gesundheit sind weitere Untersuchungen zu AdVs in Subsahara notwendig.

Human adenoviruses (HAdV A-G) are highly prevalent in the human and nonhuman primate (NHP) population. HAdV-B is an important human pathogen causing respiratory tract-, eyeand urinary tract infections and also was detected in feces of great apes in large quantity. The origin and evolution of HAdV-B has so far not been studied in detail. The goals of the present study were to study the molecular epidemiology of HAdV infecting great apes and humans in tropical Africa with focus on HAdV-B, to investigate the crossspecies transmission frequency of HAdV-B and to explore HAdV-B recombination in wild great apes. 568 fecal samples were collected in the wild from eight great ape species and subspecies of nine forest sites throughout sub-Saharan Africa. In addition, 292 samples from people living in neighboring villages at four of these sites were tested. All samples were analyzed with generic and specific PCR systems. High prevalence of HAdVs was detected in all hosts. Cumulative primate AdV prevalence was 51% (75/146) in chimpanzees, 94% (79/84) in bonobos, 74% (251/338) in gorillas, and 69% (201/292) in humans. While we identified HAdV-C in all investigated species, HAdV-D was detected only in humans and HAdV-E in chimpanzees and bonobos. HAdV-B was found in 55% of all investigated gorilla samples and in some chimpanzee samples. Humans and bonobos were HAdV-B negative. To examine the evolutionary relationships of great ape and human members of HAdV-species, additional sequence information was created by long-distance PCR amplifying a block of 4 genes (V, pX, pVI, hexon). First the genetic diversity comprised in this dataset was explored by performing a ML analysis using PhyML. A high HAdV-B diversity was found in gorillas. In a next step, gorillas were identified as the best supported ancestral host of the entire HAdV-B group performing a Bayesian framework followed by assumption that transmissions from gorillas to humans and chimpanzees must have occur. By quantifying these transmission events, the most frequent host switches were those from gorillas to chimpanzees with 6 to 7 transmissions. Two HAdV-B transmission events from gorillas to humans were identified. With a Bayesian chronogram transmissions were located in time. The inferred rate of gorilladerived HAdV-B transmission events was low, with a mean of 2.2 transitions to chimpanzees per My and 0.7 transitions to humans per My. Interestingly, some transmission events occurred before our species emerged. This indicated that HAdV-B affected human health for the entire lifetime of our species. To identify recombinants of HAdV-B from wild gorillas larger genome fragments and a near complete genome were determined and in mVISTA analysis pairwise aligned. While the central part of the wild gorilla´s HAdV-B genome was most similar to a captive gorilla´s HAdV-B genome (SAdV-28.2) the outer portions were most closely related to a captive´s chimpanzee HAdV-B genome (SAdV-33). In addition, a comparative phylogenomic approach was performed analyzing general hot spots (penton base to hexon gene; fiber gene) of AdV recombination. The phylogenetic trees revealed discordance in HAdV-B tree shape and subclade composition indicating that genome-wide recombination occurred during evolution of wild gorilla’s members of species HAdV-B. It was concluded that AdV recombination occurs also in natural habitats and not only in sites of artificially close inter-primate contact like zoological gardens. The generated data show that current-day transmissions of HAdV-B members from great apes to humans with subsequent emergence of recombinants cannot be excluded. The likelihood for infection with such recombinant AdVs increases for people in some regions of sub-Saharan Africa, because of the high AdV prevalence in NHP, overlapping habitats of humans and great apes and bush meat hunting and trade. Based on the data presented here it can be concluded that HAdV-B circulating in humans are of zoonotic origin. With regard to the importance of zoonoses for public health further investigations on primate AdVs in sub-Saharan disease outbreaks are needed.