Norovirus (NoV) and Sapovirus (SaV) are major causes of outbreak gastroenteritis worldwide. NoV and SaV are highly infectious, have multiple transmission routes and have a short incubation period, thereby facilitating rapid intercontinental spread of new variants. Consequently, a treatment would be advantageous for controlling them. However, currently little is known about the replication cycle and evolution of human NoV or SaV as neither are culturable. NoV and SaV are RNA viruses of the Caliciviridae family and have great genetic diversity which is thought to facilitate irnmune evasion. Consequently variants of NoV GI1.4 arose in 1996, 2002, 2004 and in 2006 and resulted in pandemics. Therefore, in this study, the role of the two main mechanisms associated with generating viral diversity; recombination, and point mutation were investigated for NoV and SaV. Physiological and kinetic properties of three NoV RdRps (genotypes, Gll.b, Gll.4, Gll.7) and two SaV RdRps (genogroups GI, GII) were also investigated. RNA recombination is a significant driving force in viral evolution. Increased awareness of recombination within the Calicivirus genus Norovirus (NoV) has led to a rise in the identification of NoV recombinants and they are now reported at high frequency. Despite this no classification system exists for recombinant NoVs As a result, there is duplication in reporting novel recombinants and the precise number of novel NoV recombinant types is unknown. Therefore, in order to elucidate thero!e of recombination in NoV evolution, 121 NoV nucleotide sequences, compiled from the GenBank database and published literature, were analysed for recombination events. NoV recombinants and their recombination breakpoint were identified using three methods: phylogenetic analysis, Simplot analysis and the Maximum Chi-Squared method. In total 19 unique NoV recombinant types were identified in circulation across the globe and they had a common recombination point near the ORF1/2 overlap. Recombination at the ORF1/0RF2 overlap could have important implications in NoV evolution as it enables a virus to swap its antigenic determinates (capsid) and thereby avoid immune clearance in an analogous manner to antigenic shift in influenza virus. This study also examined the role of NoV and SaV replication in generating viral diversity by comparing the physiological, kinetic and biochemical properties of five genotypically distinct RdRps from two different genera of the Caliciviridae. Genetically diverse HuCV RdRps were expressed in Escherichia coli and characterised in an in vitro assay designed for this study. The results indicated that despite high sequence variation between the five enzymes (between 6% and 71% amino acid difference) they shared similar physiological properties. Though there was some variation in their template usage and kinetic properties. SaV was able to perform primer dependent replication on homopolymeric A RNA whereas the NoV RdRps were not. Additionally, NoV RdRps had a higher incorporation rate and were more kinetically efficient than the two SaV RdRps. The incorporation fidelity of the five enzymes was similar (between 2.2x10-5 to 8.9x10-4 ), although interestingly the most prevalent strain, Gll.4, had the lowest fidelity of the caliciviruses. Therefore, suggesting that RdRp fidelity has an important role in NoV evolution. Overall, this study illustrated that NoV and SaV generate genetic diversity in a similar fashion to other RNA viruses, that is, a delicate combination of recombination, point mutation and replication efficiency. Understanding the mechanisms involved in viral replication and genomic diversity of the calicivirus RdRps is essential if a successful control strategy for the human caliciviruses is going to be developed.

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Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2007. / Title from first page of PDF file. Includes bibliographical references.

Source: Masters Abstracts International, Volume: 45-05, page: 2450. Adviser: Herbert L. DuPont. Includes bibliographical references.

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Die humanen Noroviren (Familie Caliciviridae, Genus Norovirus) bilden den Haupterreger der nichtbakteriellen Gastroenterotiden. Seit Beginn der 1990er Jahre – besonders seit dem Herbst 2002 – kann weltweit eine sehr starke Zunahme der Norovirus-Infektionen beobachtet werden. Die Mehrheit der Erkrankungen (ca. 80%) ist dabei durch den Genotyp II.4 verursacht, wobei innerhalb dieses Genotyps kontinuierlich „neue“ genetisch veränderte Norovirus-Stämme auftreten, die kontinuierlich in „neue“ Subgenotypen eingeordnet werden. Bis dato wird vermutet, dass die hohe Zunahme der Infektionen durch die subgenotypspezifische Evolution des strukturellen Proteins VP1 bewirkt wurde, da dadurch die Bindung der Viruspartikel an die Rezeptoren der Wirtszelle – die HBGAs – verbessert sein könnte bzw. ein breiteres Spektrum an Rezeptoren erkannt werden könnte. Bisher ist aber weitgehend unbekannt, ob im Bereich der nichtstrukturellen Proteine auch eine subgenotypspezifische Evolution stattgefunden hat und ob diese durch eine verbesserte Enzymaktivität zu der Zunahme der Infektionen beigetragen haben könnte. Im Rahmen dieser Arbeit wurden demnach aus unterschiedlichen Stuhlproben die beiden Enzyme NS6pro und NS7pol von jeweils einem Stamm der epidemiologisch relevanten Subgenotypen II.4-1995, II.4-2002, II.4-2004, II.4-2006a und II.4-2006b rekombinant hergestellt und betreffend ihrer Evolution und Enzymaktivität untersucht. Anhand der durchgeführten Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass bei den epidemiologisch relevanten Subgenotypen des Genotyps II.4 im Bereich der NS6pro und der NS7pol keine subgenotypspezifische Evolution stattgefunden hat und daher keine subgenotypspezifische Enzymaktivität vorliegt. Somit hatte die Enzymaktivität der NS6pro und der NS7pol keinen Einfluss auf die Zunahme der Infektionen. Dennoch konnte aber beobachtet werden, dass durch die Mutation einer einzelnen Aminosäure – entsprechend der Position in der räumlichen Struktur der NS6pro bzw. der NS7pol – die Enzymaktivität um bis zu 100 Prozent erhöht bzw. reduziert werden kann. Bei diesen bedeutenden Mutationen ist entweder die Substratbindung oder die Koordination bzw. die Zufuhr der Reaktionskomponenten betroffen. Somit konnte bestätigt werden, dass die Zunahme der Infektionen vermutlich doch durch die Evolution des VP1 bedingt ist. Dies ist auch nachvollziehbar, da das VP1 den Eintritt der Viruspartikel in das Zellplasma erlaubt, in dem danach erst die Virusvermehrung durch die Enzyme stattfindet. Hierbei muss aber erwähnt werden, dass die Evolution des VP1 durch die Mutationsrate der NS7pol bestimmt ist, sodass die NS7pol letztendlich doch für die Zunahme der Infektionen verantwortlich ist. Um aber definitiv abzuklären, ob durch die Evolution des VP1 tatsächlich die Bindung der Viruspartikel an die HBGAs verbessert bzw. ein breiteres Spektrum an Rezeptoren erkannt wird, müssten bspw. Bindungs-Assays zwischen den entsprechenden VLPs (virus-like particles) und bereits typisierten Serum- oder Speichelproben – ähnlich den Untersuchungen von Lindesmith et al. (2008) – durchgeführt werden. Darüber hinaus müsste die Evolution und die Funktionalität der restlichen nichtstrukturellen Proteine untersucht bzw. deren Einfluss auf die Zunahme der Infektionen überprüft werden.

Die humanen Noroviren (Familie Caliciviridae, Genus Norovirus) bilden den Haupterreger der nichtbakteriellen Gastroenterotiden. Seit Beginn der 1990er Jahre – besonders seit dem Herbst 2002 – kann weltweit eine sehr starke Zunahme der Norovirus-Infektionen beobachtet werden. Die Mehrheit der Erkrankungen (ca. 80%) ist dabei durch den Genotyp II.4 verursacht, wobei innerhalb dieses Genotyps kontinuierlich „neue“ genetisch veränderte Norovirus-Stämme auftreten, die kontinuierlich in „neue“ Subgenotypen eingeordnet werden. Bis dato wird vermutet, dass die hohe Zunahme der Infektionen durch die subgenotypspezifische Evolution des strukturellen Proteins VP1 bewirkt wurde, da dadurch die Bindung der Viruspartikel an die Rezeptoren der Wirtszelle – die HBGAs – verbessert sein könnte bzw. ein breiteres Spektrum an Rezeptoren erkannt werden könnte. Bisher ist aber weitgehend unbekannt, ob im Bereich der nichtstrukturellen Proteine auch eine subgenotypspezifische Evolution stattgefunden hat und ob diese durch eine verbesserte Enzymaktivität zu der Zunahme der Infektionen beigetragen haben könnte. Im Rahmen dieser Arbeit wurden demnach aus unterschiedlichen Stuhlproben die beiden Enzyme NS6pro und NS7pol von jeweils einem Stamm der epidemiologisch relevanten Subgenotypen II.4-1995, II.4-2002, II.4-2004, II.4-2006a und II.4-2006b rekombinant hergestellt und betreffend ihrer Evolution und Enzymaktivität untersucht. Anhand der durchgeführten Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass bei den epidemiologisch relevanten Subgenotypen des Genotyps II.4 im Bereich der NS6pro und der NS7pol keine subgenotypspezifische Evolution stattgefunden hat und daher keine subgenotypspezifische Enzymaktivität vorliegt. Somit hatte die Enzymaktivität der NS6pro und der NS7pol keinen Einfluss auf die Zunahme der Infektionen. Dennoch konnte aber beobachtet werden, dass durch die Mutation einer einzelnen Aminosäure – entsprechend der Position in der räumlichen Struktur der NS6pro bzw. der NS7pol – die Enzymaktivität um bis zu 100 Prozent erhöht bzw. reduziert werden kann. Bei diesen bedeutenden Mutationen ist entweder die Substratbindung oder die Koordination bzw. die Zufuhr der Reaktionskomponenten betroffen. Somit konnte bestätigt werden, dass die Zunahme der Infektionen vermutlich doch durch die Evolution des VP1 bedingt ist. Dies ist auch nachvollziehbar, da das VP1 den Eintritt der Viruspartikel in das Zellplasma erlaubt, in dem danach erst die Virusvermehrung durch die Enzyme stattfindet. Hierbei muss aber erwähnt werden, dass die Evolution des VP1 durch die Mutationsrate der NS7pol bestimmt ist, sodass die NS7pol letztendlich doch für die Zunahme der Infektionen verantwortlich ist. Um aber definitiv abzuklären, ob durch die Evolution des VP1 tatsächlich die Bindung der Viruspartikel an die HBGAs verbessert bzw. ein breiteres Spektrum an Rezeptoren erkannt wird, müssten bspw. Bindungs-Assays zwischen den entsprechenden VLPs (virus-like particles) und bereits typisierten Serum- oder Speichelproben – ähnlich den Untersuchungen von Lindesmith et al. (2008) – durchgeführt werden. Darüber hinaus müsste die Evolution und die Funktionalität der restlichen nichtstrukturellen Proteine untersucht bzw. deren Einfluss auf die Zunahme der Infektionen überprüft werden.

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