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Doctor of Philosophy / Diagnostic Medicine/Pathobiology / Raymond R. R. Rowland / Emerging viral diseases cause significant and widespread economic losses to U.S. swine production. Over the last 25 years, porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV), porcine circovirus type 2 (PCV2) and porcine epidemic diarrhea virus (PEDV) have emerged or re-emerged, costing the industry billions through increased mortality and clinical or subclinical reductions in growth. Nursery pigs are greatly affected by these viruses due to high susceptibility to primary and secondary infections after weaning. However, clinical disease occurs in only a subpopulation of infected pigs and can vary drastically from sudden death to poor growth performance. This thesis documents a series of 4 studies where nursery pigs were challenged with either PRRSV/PCV2 or PEDV; the associations between clinical outcome and several factors affecting viral pathogenesis were investigated. In the first study, the administration of PRRS modified live virus vaccine prior to co-challenge with PRRSV/PCV2 was shown to protect against PRRS but enhance PCV2 replication and pathogenesis. This study provides insight into the role that PRRS vaccination has in both the control and potentiation of clinical disease. In the second study, microbial populations were compared between pigs with the best and worst clinical outcome following PRRSV/PCV2 co-infection. Increased fecal microbiome diversity was associated with improved clinical outcome; however, worst clinical outcome pigs had prolonged and greater virus replication, highlighting the host response to viral challenge as a primary determinant of clinical outcome. In the third study, 13 clinical phenotypes were compiled for >450 pigs after PRRSV/PCV2 co-infection. Duration of dyspnea and the presence of muscle wasting had the strongest associations with reduced weight gain. This study highlights the opportunity to improve animal welfare and production through improvements in clinical health. In the fourth study, clinical disease was mild to moderate and occurred within the first week after pigs were challenged with PEDV. However, PEDV was detected weeks after clinical disease had resolved and may implicate nursery pigs as an important source of viral carriage and transmission. Overall, the goal of this thesis was to develop models for understanding the impact of emerging and re-emerging viruses to improve recognition and control of disease.

Mémoire en recherche subventionné par le Conseil de recherche en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) / Le génome du virus de l’hépatite C (VHC), membre des Flaviviridae, est constitué d’un ARN monocaténaire linéaire de polarité positive, et contient un seul cadre de lecture ouvert flanqué par deux régions non traduites désignées 5’UTR et 3’UTR. Ces régions contiennent des éléments structurés qui sont importants pour la régulation des processus de traduction et de réplication virale. Mon projet de recherche vise le 3’UTR. Celui-ci a une structure tripartite composée d’une région variable (VR), une région poly (U/UC) et une région X. Notre laboratoire a identifié une séquence VR qui forme une structure duplexe avec une séquence distale située dans le NS5B. Considérant que le gène NS5B code pour la polymérase virale, et que la 3’UTR est impliquée dans la réplication virale, nous postulons que ce duplex pourrait contrôler le niveau de synthèse de l'ARN du VHC. Afin de tester cette hypothèse, nous avons construit des mutants individuels des séquences VR et NS5B du VHC 1b afin d’empêcher la formation du duplex, ainsi qu’un mutant complémentaire aux deux sites permettant la reconstitution du duplex. L’ARN provenant de ces constructions a été synthétisé in vitro et transfecté dans les cellules Huh7.5. Au 9e jour de culture, l’ARN a été extrait des cultures, et la technique RT-qPCR a été ensuite utilisée afin de quantifier et comparer les niveaux d’ARN viral provenant des cultures transfectées avec les mutants versus celles transfectées avec le virus parental. Les résultats obtenus montrent une augmentation de 5.3X et 3.4X, respectivement, entre les niveaux d’ARN viral produits de cultures transfectées avec le virus muté dans les régions 3’UTR-VR et NS5B, comparé au virus parental. Cependant, l’ARN viral obtenu suite à la reconstitution des deux sites complémentaires montre une augmentation de 2.6X. Malgré que la différence entre les niveaux d’ARN des virus mutants ne soit pas statistiquement significative lorsqu’on les compare avec le niveau d’ARN généré par le virus parental, la tendance suggère que la fonction des séquences appariées serait de moduler à la baisse la synthèse de l’ARN viral. Il sera nécessaire de poursuivre davantage ce travail afin de mieux comprendre le rôle de la structure duplexe VR-NS5B sur la réplication du VHC. / The hepatitis C virus (HCV), a member of the Flaviviridae, contains a single (+) strand linear RNA genome which incorporates one long open reading frame flanked by two untranslated regions known as the 5’UTR and 3’UTR. These regions contain structures known to function in the regulation of HCV translation and replication. The 3’UTR is the focus of this research project. Its tripartite structure consists of a variable region (VR), a poly (U/UC) region and the X-tail. Our laboratory recently identified a VR sequence forming a duplex structure with a distal sequence located in the NS5B gene. Because NS5B encodes the viral polymerase, and seeing that the 3’UTR is involved in viral replication, we postulated that this duplex may function in controlling the level of HCV RNA replication. To test this hypothesis, we constructed HCV 1b mutants in the respective VR and NS5B annealing sequences to disrupt complementarity and prevent duplex formation. We also created a mutant with complementary mutations at both sites to reconstitute the duplex. RNA from these constructs was synthesized in vitro and transfected into Huh7.5 cells. Following a 9-day incubation period, RNA from all transfected cultures was harvested and HCV RNA was quantified by RT-qPCR. The data indicate an increase of 5.3X and 3.4X for HCV viral RNA harvested from cultures with disrupted 3’UTR-VR and NS5B, respectively, relative to wild-type HCV 1b, whereas the reconstituted HCV construct yielded a 2.6X increase in viral RNA. While these figures do not reach statistical significance, they suggest that the duplex structure modulates HCV replication downward. Further pursuit of this work is necessary to better elucidate the role of the VR-NS5B duplex structure on HCV replication.

La trithérapie antirétrovirale a considérablement augmenté l’espérance de vie des personnes vivant avec le virus de l’immunodéficience humaine (VIH), mais ne permet pas de guérir l’infection. En effet, le virus latent persiste dans des réservoirs, comme les lymphocytes T CD4+, ce qui empêche son élimination complète. Bien que plusieurs études aient montré un lien entre l’âge et la progression de la maladie, la relation entre le vieillissement et la persistance virale demeure peu explorée. Puisqu’il est connu que la diminution de la production thymique avec l’âge a un impact sur l’homéostasie lymphocytaire, nous avons étudié l’association entre le vieillissement, l’activité thymique et les réservoirs du VIH. Chez les personnes infectées traitées, nos résultats montrent que le réservoir viral inductible est significativement corrélé à l’âge. Cette association est partiellement expliquée par la diminution de la production thymique, causant notamment une réduction de la fréquence des lymphocytes T CD8+. De plus, nous avons observé que les individus ayant des plaques athérosclérotiques, un indicateur sous clinique fortement associée au vieillissement, ont un réservoir viral plus élevé. Finalement, nos résultats montrent que la restauration du thymus par l’administration d’hormone de croissance semble avoir un impact bénéfique sur la taille du réservoir total. Nos résultats suggèrent que le réservoir évolue différemment en fonction de l’âge et que l’involution du thymus contribue à la persistance du VIH, ce qui ouvre la voie à de nouvelles approches thérapeutiques. Également, ils indiquent que certaines mesures du réservoir viral pourraient contribuer à l’évaluation du risque de développement de plaques d’athérosclérose. / Antiretroviral therapy has prolonged the life expectancy of people living with the human immunodeficiency virus (HIV), but does not cure the infection. Indeed, latent virus persists in reservoirs, like CD4+ T cells, which is a major barrier to it’s complete elimination. It is well established that age has an impact on the clinical progression of the disease. However, the relationship between aging and viral persistence is still unknown. As age-associated reduction of thymic production has important consequences on lymphocyte homeostasis, we studied the association between aging, thymic activity avec HIV reservoirs. In infected individuals under antiretroviral therapy, we show that the inducible reservoir is significantly correlated with age. This association can be partially linked to the reduction of thymic production with age, causing a decrease in the frequency of CD8+ T cells. Furthermore, we highlight that individuals with atherosclerotic plaques, a sub-clinical factor highly associated with aging, have a bigger HIV reservoir. Finally, we show that restauration of thymic activity induced by the administration of recombinant growth hormone has a modest but significant beneficial effect on the size of total HIV reservoir. Overall, our results indicate that HIV reservoir evolves differently with age and that thymic involution contributes to viral persistence, which open the way to novel therapeutic approaches. In addition, they suggest that some viral reservoir measures could contribute to the evaluation of the risk of atherosclerotic plaques development.

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Le VHS-1 est un modèle très utilisé pour l’étude du cycle viral et des interactions hôte-pathogène des Herpesvirdidae, en partie dû à sa capacité de se répliquer de façon rapide dans plusieurs types cellulaires. La transcription, réplication de l’ADN et la formation des capsides de ce virus se produisent dans le noyau cellulaire. Une fois les capsides formées, elles doivent sortir du noyau pour continuer le cycle. Cependant, les capsides sont trop grandes (125 nm) pour passer à travers les pores nucléaires, dont la taille d’exclusion est de 40 nm, et elles entament alors un processus d’enveloppement dé-enveloppement à travers les deux membranes nucléaires. Le complexe LINC (de l’anglais Linker of the Nucleoskeleton and Cytoskeleton) est un complexe qui se retrouve dans les membranes nucléaires et l’espace périnucléaire. Il sert de liaison entre le noyau et le cytoplasme et, parmi ses fonctions on retrouve le maintien d’un espace périnucléaire constant, le positionnement du noyau et la transmission de forces entre le noyau et le cytoplasme. Le complexe LINC est composé par les protéines de la famille SUN et par les protéines de la famille KASH, qui interagissent physiquement l'une avec l'autre. L'implication du complexe LINC dans la propagation du virus de la pseudo-rage (PrV) a déjà été démontrée. Étant donné que le PrV fait partie de la même famille de virus que le VHS-1, notre hypothèse est que le complexe LINC joue aussi un rôle dans la propagation du VHS-1. Mes travaux démontrent que la surexpression d'une forme négative dominante de SUN2 ou sa déplétion montre un effet proviral sur la propagation du VHS-1. Ce résultat diffère de ce qui a été précédemment constaté pour le PrV en ce sens que SUN2 est antiviral pour le PrV. Ceci confirme notre hypothèse, mais démontre un scénario plus complexe qu'anticipé. / HSV-1 is widely used to study viral cycles and host-pathogen interactions of Herpesvirdidae, because it replicates quickly and efficiently in many cells types. The transcription, replication and capsid assembly of HSV-1 take place in the nucleus of the infected cell. The assembled HSV-1 capsid must exit the nucleus to continue the viral cycle. The nuclear membranes constitute a barrier for the nuclear egress of nucleocapsids (125 nm) given the exclusion size of the nuclear pores is approximately 40 nm. The nucleocapsids therefore pass through the nuclear membranes by an envelopement-deenvelopement process. The capsids acquire an envelope from the inner nuclear membrane when they are released into the perinuclear space. This primary viral envelope then fuses with the outer nuclear membrane, enabling the capsid to reach the cytoplasm. Situated between the two nuclear membranes is the linker of the nucleoskeleton and cytoskeleton (LINC) complex. It is involved in the maintenance of the perinuclear space, nuclear positioning and force transmission between the nucleus and the cytoplasm. The LINC complex is composed of two families of proteins, SUN and KASH proteins. SUN proteins are found in the inner nuclear membrane, their N-terminal interacts with the nucleoskeleton and the C-terminal includes a conserved domain, the SUN domain, which interacts in the perinuclear space with the conserved domain of KASH proteins. The implication of the LINC complex in the propagation of the pseudorabies virus (PrV), a member of the alphaherpesviruses, has already been demonstrated. Since PrV is part of the same family as HSV-1, we hypothesized it may also play a role in HSV-1 propagation. My work shows that overexpression of a dominant negative form of SUN2 or its depletion shows a proviral effect on HSV-1 propagation. This result differs to what has been previously found for PrV, where SUN2 displays an antiviral phenotype. This work confirms our hypothesis but reveals a more complex scenario than anticipated.

Lors de l'infection par le virus herpès simplex de type 1 (VHS-1), quatre types de capsides nucléaires sont créés : les procapsides et les capsides A, B, et C. Sur les quatre capsides, seules les capsides C contiennent de l'ADN viral et deviendront des particules infectieuses. Un niveau de régulation se produit lors de la sortie du noyau qui favorise la sortie d’es capsides C du noyau. Le mécanisme qui sous-tend ce phénomène est actuellement inconnu. Les recherches actuelles suggèrent que l'interaction entre la protéine virale pUL25 modifie la conformation de la couche hexamérique plane du complexe de sortie nucléaire (NEC) pour y introduire des pentamères et donc causer un arrondissement de la membrane et le bourgeonnement des capsides. Cependant, des questions subsistent quant à la manière dont les capsides A, B et C sont différenciées au sein du noyau pour assurer une sortie spécifique de la capside C puisque pUL25 se retrouve dans tous les types de capsides. Nous étudions ici comment les protéines de l'hôte peuvent agir dans la sortie nucléaire des capsides C. En se basant sur une étude précédente du laboratoire où la protéine hôte poly(C)-binding protein 1 (PCBP1) a été trouvée spécifiquement sur les capsides C par spectrométrie de masse, nous explorons le rôle de la PCBP1 dans l'infection par le VHS-1. À l'aide d’essaies de plaques, nous montrons que la PCBP1 est importante pour l'infection virale, car en son absence, les titres diminuent et lorsque la PCBP1 est sur-exprimée, les titres augmentent. Ce résultat ne semble pas être dû au fait que les PCBP1 affectent l'expression génique de sous-ensembles de gènes viraux immédiats précoces, précoces ou tardifs, ni qu'ils affectent la réplication du génome ou son encapsidation. La réduction des PCBP1 ne provoque pas d'accumulation de capsides ou de particules matures tel qu’évalué par la microscopie électronique, mais elle augmente le nombre de capsides B enveloppées dans l'espace périnucléaire (PNS). L'inhibition de PCBP1 diminue également le niveau de protéine pUL24, une protéine virale importante pour la sortie du virus du noyau. Nos résultats démontrent que la PCBP1 pourrait réguler l’activité de pUL24, de sorte que lorsque la PCBP1 est épuisée, pUL24 permet à plus de capsides B de se rendre dans l'espace périnucléaire. Cette recherche constitue un point de départ pour une analyse plus approfondie du mécanisme exact des PCBP1 dans les infections à HSV-1. En outre, elle pourrait fournir des indices importants pour élucider comment le pUL24 favorise la sortie du nucléaire. / During herpes simplex virus type 1 (HSV-1) infection, four types of nuclear capsids are made: procapsids and A-, B- and C-capsids. Of the four capsids, only C-capsids contain the viral DNA and will become infectious progeny. A level of regulation occurs during nuclear egress that ensures only C-capsids exit the nucleus. The mechanism that underlies this phenomenon is presently unknown. Current research suggests the viral protein pUL25 alters the conformation of the viral nuclear egress complex (NEC) that forms a flat hexameric coat on nuclear membranes by the introduction of pentamers and therefore the induction of membrane rounding and viral budding. However, questions remain for how A-, B-, and C-capsids are differentiated within the nucleus to ensure C-capsid specific egress since pUL25 is found on all capsid types. Here we investigate how host proteins may play a role in nuclear egress of C-capsids. Based on the lab’s previous study where host protein poly(C)-binding protein 1 (PCBP1) was found specifically on C-capsids via mass spectrometry, we explore the role of PCBP1 in HSV-1 infection. Using plaque assays we show that PCBP-1 is important for viral infection, as in its absence titers decrease and when PCBP1 is over expressed titers increase. This result does not seem to be due to PCBP1 affecting gene expression of immediate early, early, or late viral gene subsets, nor does it seem to affect genome replication or encapsidation. PCBP1 knockdown does not cause an accumulation of capsids or mature particles as assessed by electron microscopy, but it does increase the number of enveloped B-capsids observed in the perinuclear space (PNS). Depletion of PCBP1 also decreases the level of pUL24, a viral protein implicated in viral nuclear egress. Our results suggest that PCBP1 could be regulating pUL24 for proper activity in nuclear egress, such that when PCBP1 is depleted, more B-capsids are able to bud through the PNS. This research constitutes a starting point for further analysis into the exact mechanism of PCBP1 in HSV-1 infections. In addition, it may provide important clues to elucidate how pUL24 supports nuclear egress.

Le réovirus de mammifères est un virus oncolytique à l’étude pour sa capacité à infecter et détruire préférentiellement les cellules cancéreuses. Les liens entre le potentiel oncolytique du réovirus et son induction des voies de signalisation de l’interféron méritent des éclaircissements. Encore à ce jour, les déterminants viraux et les composantes cellulaires impliqués dans la réponse interféron lors de l’infection par ce virus demeurent à être mieux caractérisés. Des virus mutants ont préalablement été générés à partir d’un virus fortement inducteur d’interféron (T3DK) dans le fond génétique d’un virus faiblement inducteur d’interféron (T3DS) afin d’étudier les effets de certains polymorphismes. Cependant, les mécanismes de ces déterminants viraux et comment leurs polymorphismes les modifient pour amplifier ou restreindre l’induction d’interféron sont encore incertains. Notre approche a permis de révéler que les protéines μ2 et λ1 du réovirus modulent les événements précoces menant à la reconnaissance virale et à la réponse interféron. Nous avons découvert que le phénotype d’induction d’interféron sous l’effet de μ2, λ1 ou μ2 et λ1 provenant de T3DK était corrélé entre les niveaux protéiques et transcriptionnels. De plus, la présence simultanée de μ2 et λ1 (de T3DK) avait un effet synergique provoquant des niveaux d’interféron plus qu’additifs par rapport à la présence de μ2 ou de λ1 seuls. D’autre part, la transfection d’ARN extrait tôt de cellules infectées (mais pas celle d’ARN extrait tardivement) provoque une induction d’interféron qui suit cette même tendance. Par conséquent, les résultats démontrent que plusieurs protéines du réovirus pourraient s’acquitter de rôles multiples qui convergent vers la modulation de la réponse interféron. Cela laisse paraître les rôles envisageables de μ2 et λ1 dans le désassemblage, la participation à l’exposition du génome viral et/ou dans la contribution au sein du complexe de transcription viral. L’analyse comparative de virus mutants conçus par génétique inverse et qui sont à même de contrôler la réponse interféron semble une piste intéressante pour mieux appréhender les implications des polymorphismes dont ils sont porteurs. Cette approche pourrait fournir une meilleure compréhension du réovirus et être utile dans la perspective d’optimisation du potentiel oncolytique du réovirus. / The mammalian reovirus is an oncolytic virus under study for its ability to preferentially infect and destroy cancer cells. The links between the oncolytic potential of reovirus and its induction of interferon signaling pathways require clarification. Still to this day, the viral determinants and cellular components involved in the interferon response upon infection with this virus remain to be better characterized. Mutant viruses were previously generated from a high interferon-inducing virus (T3DK) in the genetic background of a low interferon-inducing virus, (T3DS) to study the effect of certain polymorphisms. However, the mechanisms of these viral determinants and how their polymorphism modify them to amplify or limit interferon induction are still unclear. Our approach revealed that the μ2 and λ1 proteins modulate early events leading to viral recognition and interferon response. We found that the phenotype of interferon induction under the effect of μ2, λ1 or μ2 and λ1 from T3DK showed a correlation between protein and transcriptional levels. Furthermore, the simultaneous presence of μ2 and λ1 (from T3DK) had a synergistic effect causing more than additive interferon levels compared with the presence of μ2 or λ1 alone. On the other hand, transfection of RNA extracted from early-infected cells (but not RNA extracted from late-infected cells) caused interferon induction following this same trend. Therefore, the results demonstrate that several proteins from reovirus could have multiple roles that converge to modulate the interferon response. This suggests potential roles for μ2 and λ1 in disassembly, participation in viral genome exposure, and/or contribution within the viral transcription complex. The comparative analysis of mutant viruses engineered by reverse genetics, and which are able to modulate the interferon response, would be an interesting avenue to better understand the implications of the polymorphisms they carry. This approach could provide a better understanding of the reovirus and be useful in the perspective of optimizing the oncolytic potential of this virus.