Heidelberg, Universiẗat, Diss. : 1995.

University, Diss., 2002--Bremen.

Le virus de l'hépatite C (VHC) est une menace majeure avec plus de 130 millions de personnes infectées chaque année. Il constitue la principale cause de cancer du foie. Le VHC est un virus transmis par le sang soit au cours de consommation de drogue par voie intraveineuse soit lors de transfusions sanguines. Il s'adapte à l'environnement de l'hôte grâce à un taux de mutation élevé qui amoindrit l’efficacité des traitements. Le virus se multiplie rapidement dans l'hôte et crée ainsi une population de virus génétiquement hétérogènes, appelée quasi-espèces, qui peut ainsi répondre aux pressions sélectives liées au traitement. Les traitement antiviraux existants sont des tri-thérapies contenant des peg-interféron, de la ribavirine et des inhibiteurs de la protéine (PI). Les inhibiteurs comme la telaprevir ou la bocéprévir ciblent la région NS3 du génome en bloquant le mécanisme de réplication. Cependant, en raison de la nature dynamique des quasi-espèces, les séquences cibles sont variables et les inhibiteurs conçus pour se lier à une région génomique particulière sont rendus inefficaces.Nous analysons ces populations virales en utilisant les techniques modernes de séquençage et le pyroséquencage profond qui permet l’analyse à grande échelle des données génétiques. La technique “Amplicon Sequencing” permet de cibler des régions particulières du génome viral, comme les régions NS3 ou NS5B qui participent au mécanisme de réplication et qui sont des cibles pour les thérapies antivirales. Par rapport au séquençage Sanger, notre pipeline NGS permet d’appréhender l’hétérogénéité de la population virale au sein d’un hôte. Pour analyser les données NGS, nous avons implémenté un pipeline d’analyse bioinformatique qui a été automatisé avec eHive.Nous étudions des échantillons de VHC de 40 patients traités par trithérapie. Deux sources de cellules virales sont utilisées pour le séquençage: les cellules du plasma et les cellules mononuclées du sang périphérique. L'objectif est de vérifier si une analyse des mutations de la région génomique NS3 peut aider à prédire le résultat du traitement. Nous constatons que des mutations de résistance aux antiviraux se trouvent à la fois chez les individus qui ont répondu et qui n’ont pas répondu au traitement. Nous avons donc recherché d'autres signatures génétiques de l'échec du traitement. Nous constatons que l'hétérogénéité génétique est plus faible chez les individus qui répondent de manière favorable au traitement. Notre conclusion est que l'hétérogénéité virale est un facteur indépendant pour prédire la réponse à un traitement, en plus de la présence de mutations spécifiques dans les régions ciblées par le traitement.Les techniques NGS permettent également d’étudier l'évolution virale au sein d'un seul hôte. En utilisant de multiples temps d'échantillonnage, nous pouvons mesurer les caractéristiques de l'évolution de la population virale. Pour trois patients avec des échantillons viraux couvrant une période de 13 ans, nous avons utilisé la technique “Amplicon Sequencing“ pour les régions NS3 et NS5B. Des infections mixtes comprenant de multiples génotypes sont retrouvées chez deux patients. Nous avons montré qu’il existe de la structure de populations et des lignées divergentes de VHC au sein de chaque patient. Au cours du traitement, l'hétérogénéité génétique et la taille efficace de la population dans la région NS5B augmente fortement après le début du traitement. Ces résultats mettent en évidence un processus de sélection diversifiante suite au traitement qui augmente l'hétérogénéité génétique virale. Nous mettons ainsi en évidence un processus dit de balayage sélectif doux qui est observé pour la première fois chez des patients infectées par des génotypes multiples du virus VHC.Notre analyse NGS montre que l'hétérogénéité génétique du VHC est liée à l'échec ou à la réussite du traitement et que son évolution permet de mieux comprendre la façon dont les virus s'adaptent au traitement. / Hepatitis C virus (HCV) is a major threat to global health, with over 130 million annual infections. HCV is a blood borne virus transmitted primarily via intravenous drug use or hospital transfusions. It infects the liver cells and is the leading cause of liver cancer. It adapts to the host environment with a high mutation rate and can make efficient treatment very difficult. Due to poor replication proofreading, the virus multiplies rapidly in the host and creates a population of viruses which is genetically heterogeneous enough to escape selective pressures. This HCV population called quasispecies is found within and between infected hosts. Current antiviral treatment consists of a triple therapy of peg-Interferon, ribavirin and protein inhibitors (PI). PIs such as telaprevir, boceprevir target the NS3 region of the genome, blocking the replication mechanism. However due to the highly dynamic nature of the quasispecies, the target sequences are variable and PIs designed to bind to a particular genomic region are therefore rendered ineffective.We analyse viral populations of HCV using Next generation Sequencing (NGS) technologies and ultradeep pyrosequencing, which allow for rapid and large scale analysis of genetic data. Amplicon sequencing allows for targeting particular regions of the viral genome, such as the NS3 or NS5B which form a part of the replication mechanism and hence are targets for antiviral therapy. Compared to Sanger sequencing, our NGS pipeline ascertains viral population heterogeneity within a host. We implemented the bioinformatics workflow manually and in eHive as an automated pipeline.We study HCV samples from 40 patients treated with triple therapy. Two sources of the virus, plasma and peripheral blood mononuclear cells are used for sequencing. The main aim is to check if a baseline analysis of the NS3 genomic region can help to predict the outcome of the treatment. We find that antiviral resistance mutations are found in both responders and non-responders to the treatment. Since no correlation exists between observed mutations and failure of tri-therapy, we look for other genetic signatures of treatment failure. We find that genetic heterogeneity, calculated using Shannon’s entropy, is lower in responders. We conclude that the viral heterogeneity can be used as an independent factor to predict response to treatment, more than presence of specific mutations at baseline.NGS also enables large-scale studies of viral evolution within a single host. Using multiple sampling time points, we gain insights about viral evolutionary characteristics of HCV and responses to selective pressures during infection. For three patients with viral samples covering a period of 13 years, we perform amplicon sequencing on the NS3 and NS5B regions. Mixed infections comprising of multiple genotypes are found in two patients. We find considerable population structure and diverging HCV lineages within each patient. Over the course of treatment, genetic heterogeneity and effective population size in the NS5B regions increases sharply after treatment initiation compared to baseline. These results provide evidence of diversifying selection occurring post-treatment, acting on standing genetic variation resulting in high genetic heterogeneity. These are characteristics of a soft selective sweep, which is observed for the first time in chronic HCV patients infected with multiple genotypes.Our NGS analysis show that genetic heterogeneity in HCV is related to treatment failure and that its evolution provides insights about how viruses adapt to treatment.

La découverte de virus géants avec une taille de génome géante et des caractéristiques génomiques surprenantes soulève différentes questions sur leur origine et leur évolution. De nombreuses études phylogénétiques ont souligné le rôle décisif des HGT et des échanges génétiques sur l'évolution des MV, mais la plupart d'entre eux sont basés sur des familles MV étroitement liées. Pour enquêter sur les événements HGT, nous avons déterminé la distribution des gènes et les phylogénies de gènes pour les 86 ORFomes MV complets classés dans 6 familles définies et 4 putatives, dans le cadre de leurs homologues d'autres domaines de la vie. À l'aide d'un flux de travail phylogénétique automatisé MimiLook, 4577 OG ont été détectés, dont 91% des OG ont été jugés spécifiques à la famille, alors que 9% sont représentés par des protéines de 2 familles MV ou plus. 414 OG ont été détectés comme événement HGT. Nous avons appliqué une procédure similaire aux 7 898 protéines non orthologues pour détecter les événements de transfert et identifié 259 HGT à partir de protéines non orthologues. Les cas de HGT révèlent la spécificité des donneurs. En conclusion, une distinction claire peut être observée dans le mosaïque du génome des familles de Megavirale éloignées, où elles ont évolué par spécificité génomique et acquisitions de gènes spécifiques à la famille de leur créneau écologique respectif. Notre recherche systématique d'événements HGT d'origine non-mégavirale fournit la première estimation de la contribution totale de HGT dans le mosaïque du génome spécifique à la famille des Megavirales éloignés. / Discovery of giant viruses with giant genome size and surprising genomic features raises different question about their origin and evolution. Many phylogenetic studies have pointed out decisive role of HGTs and genetic exchanges on evolution of MVs, but, majority of them are based on closely related MV families. To investigate HGT events, we have determined gene distributions and gene phylogenies for the 86 complete MV ORFomes classified in 6 defined and 4 putative families, in context of their homologs from other domains of life. Using an automated phylogenetic workflow MimiLook, 4577 OGs were detected, out of which, 91% of OGs were found to be family specific, whereas, 9% are represented by proteins from 2 or more MV families. 414 OGs were detected as HGT event. We applied a similar procedure to the 7,898 non-orthologous proteins to detect transfer events and identified 259 HGTs from non-orthologous proteins. Instances of HGT were found to be depicting donor specificity, as viruses of vertebrates/invertebrates acquired genes from donors like Euteleostomii, Eutheria, Baculoviridae and proteobacteria; algal viruses and protozoan viruses were found to be acquiring genes from donors like Dictyostellium, Mammeillales, Firmicutes, Clostridiales. In conclusion, clear distinction can be seen in the genome mosaicism of distantly related Megavirale families, where they evolved via genome specificity and family specific gene acquisitions from their respective ecological niche. Our systematic search for HGT events of non-megavirale origin provides the first estimate of the total contribution of HGT in family specific genome mosaicism of distantly related Megavirales.

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In einer Freilandstudie wurden für 18 Taxa aus den Libellen-Gattungen Aristocypha, Disparocypha, Heliocypha, Libellago, Neurobasis und Rhinocypha in verschiedenen Regionen Südostasiens repräsentative ethologische Daten gewonnen. Insgesamt 14 dieser Taxa wurden dabei erstmalig untersucht, für weitere konnte der bekannte Kenntnisstand erheblich erweitert werden. Das Fortpflanzungsverhalten der untersuchten Chlorocyphidae erwies sich als überraschend vielgestaltig und konnte vier neu beschriebenen Fortpflanzungssystemen zugeordnet werden. Der hohe Spezialisierungsgrad visueller Partnererkennungssysteme, die in starkem Maße auf ritualisierten Displayflügen basierten, ermöglichte die Nutzung spezifischer qualitativer und quantitativer Merkmale des Displayverhaltens als neue Methoden zur Diagnose evolutionärer Arten. Ferner wurde die Einbeziehung evolutiv hinreichend stabiler Verhaltensmerkmale zur Rekonstruktion phylogenetischer Beziehungen getestet.

Innerhalb der Decapoda stellt das Taxon Brachyura eines der artenreichsten Taxa mit bis zu 10000 Arten dar. Die Phylogenie der Brachyura wird aufgrund morphologischer und molekularer Untersuchungen seit mehr als ein Jahrhundert kontrovers diskutiert. Zur Klärung phylogenetischer Fragestellungen wurde mit den vergleichenden Untersuchungen der Magenossikel und der Magenzähne von 66 Taxa der Brachyura ein neuer phylogenetischer Ansatz gewählt. Mit Anwendung eines spezifischen Färbepigmentes, Alizarin-Rot S, konnten sechs neue Magenossikel einer bereits existierenden Nomenklatur hinzugefügt werden, so dass jetzt 41 Magenossikel für das Grundmuster der Brachyura angenommen werden können. Im Ergebnis der phylogenetischen Analyse wird ein monophyletisches Taxon Brachyura einschließlich der Taxa Dromiidae und Raninidae unterstützt. Die von Guinot (1977, 1978) als Monophyla postulierten Teiltaxa Podotremata und Heterotremata finden hier keine Unterstützung. Taxa wie Raninidae und Cymonomidae, welche aufgrund der coxalen Position ihrer Genitalporen dem Taxon Podotremata sensu Guinot zugeschrieben werden, weisen nach vorliegenden Daten eine nähere Verwandtschaft zu den "höheren" Krabben auf. Eine Monophylie eines Taxons Thoracotremata sensu Guinot kann dagegen basierend auf den analysierten Magenstrukturen, aber auch auf der Grundlage molekularer Studien (Schubart et al. 2000a, 2000b) und dem vorliegenden Daten zum Fossilbericht angenommen werden. Eine basale Stellung der Dynomenidae und Dromiidae im Ergebnis der kladistischen Analyse lässt sich mit den Fossilfunden aus dem mittleren Jura in Übereinstimmung bringen. Des weiteren kann für die meisten Taxa der "höheren" Krabben ein gemeinsamer Vorfahre für die obere Kreide bzw. bis zum Beginn des Tertiärs postuliert werden. / Within the Decapoda the taxon Brachyura is the species-richest taxon with up to 10000 species. The phylogeny of the Brachyura has been discussed based on morphological and molecular investigations since more than a century. The investigation of the foregut-ossicles and gastric-teeth of 66 brachyuran species, is a new approach to answer important phylogenetic questions. Using a specific staining pigment Alizarin Red S, six new described foregut-ossicles are added to an existing nomenclature. As a result of this method the presence of 41 foregut-ossicles is proposed for the ground pattern of the Brachyura. The cladistic analysis supports a monophyletic origin of the Brachyura including the Dromiidae and the Raninidae. The taxa Podotremata and Heterotremata, postulated as monophyletic by Guinot (1977, 1978), are not supported in the present study. The Dromiidae and Raninidae, which are placed within the Podotremata sensu Guinot, are closer related to the "higher crabs". Based on the analysed foregut-characters, several molecular studies (Schubart et al. 2000a, 2000b), and the data of the fossil record, a monophyletic origin of the Thoracotremata sensu Guinot is suggested. The analysed basal position of the Dynomenidae and Dromiidae is in agreement with the brachyuran fossil record. A common ancestor for most of the "higher" brachyuran crabs is suggested for the period between the upper Cretaceous and the beginning of the Tertiary.

Les interactions plantes-pollinisateurs constituent une composante clé de la dynamique de la plupart des écosystèmes terrestres. Les interactions entre espèces jouant un rôle central dans de nombreux évènements de spéciation, l'étude de l'histoire évolutive des caractères étroitement liés à ce type d'interaction contribue à améliorer notre connaissance des mécanismes impliqués. Les insectes représentent le groupe majeur des espèces animales visitant les fleurs pour collecter généralement pollen et/ou nectar, mais certains d'entre eux recherchent d'autres ressources polliniques. Les relations entre les fleurs produisant des lipides et les abeilles spécialisées collectant cette ressource constituent un exemple d'interaction étroite et inhabituelle. Ce type de fleur ne s'observe qu'au sein de 11 familles non apparentées d'angiospermes. L'apparition des structures florales productrices de lipides (élaiophores) résulte d'un seul évènement évolutif dans la plupart de ces familles, à l'exception des Orchidaceae et des Iridaceae où des transitions multiples se sont produites. De plus, même si le nombre de transitions et la manière dont ces structures florales ont évolué à l'intérieur des Iridaceae sont encore inconnus, le nombre et la distribution géographique des espèces sécrétrices de lipides floraux suggèrent que les transitions vers la production de ce type de ressource pourraient avoir joué un rôle clef dans la diversification de la sous-famille des Iridoideae sur le continent américain.L'objectif de cette thèse était d'améliorer la connaissance de l’histoire évolutive de ce système de pollinisation particulier au sein des Iridaceae et d'évaluer son importance en tant que facteur de diversification. Un large échantillonnage de terrain a été réalisé au sein des genres américains de la sous-famille des Iridoideae afin de disposer de phylogénies moléculaires robustes à deux échelles taxonomiques différentes. Le rôle joué par l'évolution des stratégies de pollinisation en relation avec la sécrétion de lipides floraux a été évalué dans le contexte global de la sous-famille mais aussi à une échelle plus réduite. Le genre Sisyrinchium, comprenant à la fois de nombreuses espèces produisant des lipides floraux mais aussi des espèces dont la seule ressource fournie aux pollinisateurs semble être le pollen, et dont la diversification est de loin la plus importante sur le continent américain, a été choisi pour ce deuxième volet de l'étude. Une double démarche a été mise en œuvre, couplant une approche phylogénétique avec la caractérisation micro-morphologique et fonctionnelle des structures susceptibles d'être impliquées dans la relation plante-pollinisateur au sein du genre.Les résultats ont permis de montrer l'apparition répétée des élaiophores aux deux échelles taxonomiques de l'étude et de mettre en évidence le rôle majeur joué par l'apparition de ce caractère homoplasique dans la diversification de la famille sur le continent américain. La poursuite de ce travail nécessitera d'étudier de manière approfondie non seulement la biologie de la reproduction mais aussi la biologie de la pollinisation afin de mieux cerner l'impact de ces interactions sur la dynamique des écosystèmes où elles existent. / Plant-pollinator interactions are key components of the dynamics of most terrestrial ecosystems. Since species interactions are considered to play a central role in many speciation events, studying the evolutionary history of traits closely linked to this kind of interaction contributes to improve our knowledge of the mechanisms involved. Insects are the largest group of animals visiting flowers to collect mostly pollen and/or nectar, but some insects seek other resources. Relationships between oil-secreting flowers and specialized oil-collecting bees constitute an example of a close and uncommon interaction. Flowers offering oil as a resource are found in only 11 families distributed across the angiosperms among unrelated orders. In most of these families floral oil-producing structures (elaiophores) evolved only once, except in Orchidaceae and Iridaceae where oil rewards evolved multiple times. Furthermore, even if our phylogenetic knowledge is too incomplete to infer how many times and how elaiophores have evolved within the Iridaceae, the number and the geographical distribution of oil-flower species suggest that transitions to floral oil-producing structures may well have played a key role in the diversification of the Iridoideae subfamily on the American continent.The goal of this study was to improve our knowledge of the evolutionary history of this uncommon pollination system and to test whether the evolution of elaiophores is a causal factor of diversification within the Iridaceae. Species of the American genera of Iridoideae were widely sampled in the field to produce robust phylogenetic frameworks at two different taxonomic levels. This work aimed at better understanding the evolution of the pollination strategies related to floral oil-secretion not only in the general context of the subfamily but also at a lower taxonomic level. Sisyrinchium, the largest genus in the New World Iridoideae, including species with oil-producing flowers and species with only pollen flowers, was selected for the second part of this study. Phylogenetic analyses were combined with micro-morphological and functional characterizations of the floral structures potentially involved in plant-pollinator interactions within the genus.The results showed that elaiophores evolved several times at both taxonomic levels and that this homoplastic character has played a key role in the diversification of the family on the American continent. For future prospects, thorough studies of the reproductive and pollination biology are required to elucidate how these interactions impact the dynamics of the ecosystems in which they occur.

Der internal transcribed spacer 2 (ITS2) des ribosomalen Genrepeats ist ein zunehmend wichtiger phylogenetischer Marker, dessen RNA-Sekundärstruktur innerhalb vieler eukaryontischer Organismen konserviert ist. Die ITS2-Datenbank hat zum Ziel, eine umfangreiche Ressource für ITS2-Sequenzen und -Sekundärstrukturen auf Basis direkter thermodynamischer als auch homologiemodellierter RNA-Faltung zu sein. Ergebnisse: (a) Eine komplette Neufassung der ursprünglichen die ITS2-Datenbank generierenden Skripte, angewandt auf einen aktuellen NCBI-Datensatz, deckte mehr als 65.000 ITS2-Strukturen auf. Dies verdoppelt den Inhalt der ursprünglichen Datenbank und verdreifacht ihn, wenn partielle Strukturen mit einbezogen werden. (b) Die Endbenutzer-Schnittstelle wurde neu geschrieben, erweitert und ist jetzt in der Lage, benutzerdefinierte Homologiemodellierungen durchzuführen. (c) Andere möglichen RNA-Strukturaufklärungsmethoden (suboptimales und formenbasiertes Falten) sind hilfreich, können aber Homologiemodellierung nicht ersetzen. (d) Ein Anwendungsfall der ITS2-Datenbank in Zusammenhang mit anderen am Lehrstuhl entwickelten Werkzeugen gab Einblick in die Verwendung von ITS2 für molekulare Phylogenie. / The internal transcribed spacer 2 (ITS2) of the ribosomal gene repeat is an increasingly important phylogenetic marker whose RNA secondary structure is widely conserved across eukaryotic organisms. The ITS2 database aims to be a comprehensive resource on ITS2 sequence and secondary structure, based on direct thermodynamic as well as homology modelled RNA folds. Results: (a) A rebuild of the original ITS2 database generation scripts applied to a current NCBI dataset reveal more than 60,000 ITS2 structures. This more than doubles the contents of the original database and triples it when including partial structures. (b) The end-user interface was rewritten, extended and now features user-defined homology modelling. (c) Other possible RNA structure discovery methods (namely suboptimal and shape folding) prove helpful but are not able to replace homology modelling. (d) A use case of the ITS2 database in conjunction with other tools developed at the department gave insight into molecular phylogenetic analysis with ITS2.

Enteric caliciviruses were detected in humans and animals incoming into food chain such as porcine and bovine species. Caliciviruses have a single stranded, positive, polyadenylated RNA genome. They share properties of high environmental stability, high excretion load and high genetic variation linked to point mutations and recombination. These properties have allowed the formulation of hypothesis about zoonotic transmission or animal reservoir for human strains. The aim of the thesis, composed of four studies, was to investigate the zoonotic risk associated to animal enteric caliciviruses. In a first study, circulation of both sapoviruses and noroviruses was evidenced by molecular detection in Belgian pig farms. They were detected in both asymptomatic animals or in piglets showing clinical signs of enteritis. In a second study, bovine noroviruses were molecularly detected in Belgian cattle. Strains phylogenetically related to those of the genotype 2 were predominant. In the same study, seroprevalence against bovine norovirus infection in cattle was investigated by indirect ELISA. Antigens included in the ELISA were virus-like particules obtained in the baculovirus system by expressing the capsid protein of a strain isolated by the laboratory during a previous study. Apparent seroprevalence was high (93.2%), confirming previous results about apparent molecular prevalence in diarrheic calves (7.5%). In a third study about molecular detection of bovine noroviruses, diagnostic strategy was revised in order to improve the detection of genotype 1 strains and to deal with opportunity of recombination events. Bovine norovirus recombinant strains and also, surprisingly, some sequences genetically related to bovine kobuviruses were detected. In a fourth study, attachment factors and internalization pathways for genotype 2 bovine noroviruses were studied with an original quantitative method based on flow cytometry analysis. Along with a galactosyl residue that seems to be essential, a sialic acid residue was also showed to be implied in the binding of genotype 2 bovine noroviruses or in a posterior step. Internalisation pathways related to lipid rafts and to macropinocytosis were found. Together the results have contributed to the analysis of the zoonotic risk associated to enteric animal caliciviruses in the Belgian epidemiological situation. According to these results, the zoonotic risk seems to be low as no sequences genetically related to the human ones were detected. However, some results suggest to maintain a certain degree of vigilance. Indeed, molecular detection showed the co circulation of both bovine and porcine noroviruses in Belgian farms, implicating that hazard exposition exists and could be high in the Belgian epidemiological situation. Morevover, circulation of recombinant strains in the overall population of the bovine norovirus strains implies that this phenomenon was included in the risk assessment. Infection pressures and high prevalences for human and animal strains in a closed epidemiological context as the Belgian one could increase the risk of interspecific recombination. Finally, the sialic acid residue, possibly involved in the binding of genotype 2 bovine noroviruses, and a poorly specific internalisation pathway as macropinocytosis could also favor interspecies barrier crossing. In the current knowledge, zoonotic risk associated to animal enteric caliciviruses can be communicated as low but a degree of vigilance has to be retained, associated for example to observation of genetic evolution in the populations of human and animal strains.