Characterization and Vector Competence Studies of Chikungunya Virus Lacking Repetitive Motifs in the 3′ Untranslated Region of the Genome

Using reverse genetics, we analyzed a chikungunya virus (CHIKV) isolate of the Indian Ocean lineage lacking direct repeat (DR) elements in the 3′ untranslated region, namely DR1a and DR2a. While this deletion mutant CHIKV-∆DR exhibited growth characteristics comparable to the wild-type virus in Baby Hamster Kidney cells, replication of the mutant was reduced in Aedes albopictus C6/36 and Ae. aegypti Aag2 cells. Using oral and intrathoracic infection of mosquitoes, viral infectivity, dissemination, and transmission of CHIKV-∆DR could be shown for the well-known CHIKV vectors Ae. aegypti and Ae. albopictus. Oral infection of Ae. vexans and Culex pipiens mosquitoes with mutant or wild-type CHIKV showed very limited infectivity. Dissemination, transmission, and transmission efficiencies as determined via viral RNA in the saliva were slightly higher in Ae. vexans for the wild-type virus than for CHIKV-∆DR. However, both Ae. vexans and Cx. pipiens allowed efficient viral replication after intrathoracic injection confirming that the midgut barrier is an important determinant for the compromised infectivity after oral infection. Transmission efficiencies were neither significantly different between Ae. vexans and Cx. pipiens nor between wild-type and CHIKV-∆DR. With a combined transmission efficiency of 6%, both Ae. vexans and Cx. pipiens might serve as potential vectors in temperate regions

Einfluss der 3' nichttranslatierten Region von Chikungunya-Virus auf die Replikation in verschiedenen Stechmückenarten

Zusammenfassung Yauhen Karliuk Einfluss der 3' nichttranslatierten Region von Chikungunya-Virus auf die Replikation in verschiedenen Stechmückenarten Institut für Tierhygiene und Öffentliches Veterinärwesen der Veterinärmedizinischen Fakultät, Universität Leipzig Eingereicht im Februar 2022 52 Seiten, 7 Abbildungen, 116 Literaturangaben, 1 Publikation Schlüsselwörter: Chikungunya-Virus; 3′ UTR; direct repeats (DRs); CHIKV 3́ UTR-Deletionsmutante; Vektorkompetenz; Aedes vexans; Culex pipiens Einleitung: Arthropoden-übertragene Viren (Arboviren) spielen weltweit eine große Rolle für die Gesundheit von Menschen und Tieren. Das Chikungunya-Virus (CHIKV) wird v.a. durch Stechmücken der Gattung Aedes übertragen. Die Hauptvektoren sind Aedes aegypti (Ae. aegypti) und Aedes albopictus (Ae. albopictus), wobei letzterer sich zunehmend auch in gemäßigten Breiten etabliert. Ziele der Untersuchungen: Zum einen sollte untersucht werden, ob auch die Stechmückenarten Aedes vexans (Ae. vexans) und Culex pipiens molestus (Cx. pipiens), die in gemäßigten Klimazonen vorkommen, als CHIKV-Vektoren fungieren können. Zum anderen sollte der Einfluss von Deletionen der Sequenzwiederholungen (DR) in der 3‘ nichttranslatierten Region (3‘ UTR) auf die virale Replikation in Zellkultur und in Stechmücken untersucht werden. Tiere, Material und Methoden: Zunächst wurde eine CHIKV 3́ UTR-Deletionsmutante mit einer Deletion von DR1a und DR2a in der 3́ UTR (CHIKV-ΔDR) hergestellt und diese bezüglich der Wachstumskinetik mit Chikungunya-Wildtyp-Virus (CHIKV-WT) in C6/36- und Aag2-Stechmückenzellen sowie in BHK-21/J- Wirbeltier-Zellen verglichen. Um die Vektorkompetenz von beiden Viren in Stechmücken zu untersuchen, wurden Ae. aegypti, Ae. albopictus, Ae. vexans und Cx. pipiens in einem Insektarium gezüchtet. Bei den Infektionsexperimenten im S3-Labor wurden insgesamt 27 Ae. aegypti, 20 Ae. albopictus, 78 Ae. vexans und 62 Cx. pipiens Stechmücken verwendet. In diesen Experimenten wurden diese mit CHIKV-ΔDR und CHIKV-WT sowohl oral mit je 1x 10^6 PFU/ml über eine Fütterungsmembran als auch intrathorakal mit je 200 PFU (zur Umgehung der Mitteldarmbarriere) infiziert und an verschiedenen Tagen nach der Infektion und in verschiedenen Körperteilen sowie im Speichel auf virale RNA mittels Real-Time Reverser Transkription-Polymerase Kettenreaktion (RT-PCR) untersucht. Unterschiede in der Virusreplikation wurden entweder mit Mann-Whitney- oder Fisher’s Exakt-Test überprüft. Das Signifikanzniveau lag bei p < 0,05. Ergebnisse: Beide Viren, das CHIKV-WT und das CHIKV-ΔDR, zeigten ein vergleichbares Wachstum in Wirbeltier-Zellen (BHK-21/J) und erreichten einen Titer von 5x 10^8 PFU/ml. Das Wachstum beider Viren war auch in von Ae. albopictus abgeleiteten C6/36- Stechmückenzellen effizient, wobei CHIKV-WT ein um knapp eine Log-Stufe höheres Wachstum zeigte als CHIKV-ΔDR. In unseren Experimenten zeigte CHIKV-WT ein weniger effizientes Wachstum in von Ae. aegypti abgeleiteten Aag2-Stechmückenzellen, als in Ae. albopictus abgeleiteten C6/36-Stechmückenzellen, obwohl Ae. aegypti als Hauptvektor für CHIKV-WT gilt. In einer intrathorakalen und oralen Infektion konnten sowohl die bekannten CHIKV-Vektoren Ae. aegypti und Ae. albopictus als auch die einheimische Stechmückenarten Ae. vexans und Cx. pipiens erfolgreich infiziert werden. Bei einer intrathorakalen Infektion mit Umgehung der Mitteldarmbarriere wurde bei Ae. vexans oder Cx. pipiens eine effizientere Virusreplikation beobachtet als bei einer oralen Infektion. CHIKV-WT zeigte eine signifikant höhere Replikation in Ae. vexans im Vergleich zu CHIKV-ΔDR am Tag 7 und am Tag 14 nach der Infektion. Bei Cx. pipiens wurden signifikante Unterschiede für CHIKV-WT im Vergleich zu CHIKV-ΔDR nur am Tag 7 beobachtet. Schlussfolgerungen: Das beeinträchtigte Wachstum in C6/36- und Aag2-Zellen von CHIKV-ΔDR deutet darauf hin, dass die deletierten Sequenzwiederholungen spezifisch mit noch unbekannten Faktoren in Stechmückenzellen interagieren. Dennoch konnte CHIKV-ΔDR die bekannten CHIKV-Vektoren Ae. aegypti und Ae. albopictus problemlos nach intrathorakaler und oraler Infektion infizieren. Die Mitteldarm-Entweichungsbarriere scheint also nicht der einzige Faktor zu sein, der die Vektorkompetenz von Stechmücken beeinflusst. Auch die Replikationskinetik des Virus in den Sekundärgeweben scheint bei den verschiedenen Stechmückenarten unterschiedlich zu sein. Zwar umfassten unsere Studien zur oralen Infektion mit CHIKV nur einige einheimische Ae. vexans und Cx. pipiens Stechmücken, jedoch deuten die Ergebnisse darauf hin, dass diese Stechmücken potenziell als Vektoren für CHIKV dienen können.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 2 2.1 Alphaviren 2 2.1.1 Klassifikation 2 2.1.2 Virusmorphologie und Genomaufbau 2 2.1.3 Virusreplikation 4 2.2 Chikungunya-Virus 5 2.2.1 Übertragungszyklus 5 2.2.2 Epidemiologie 7 2.2.3 Genotypen und die 3′ UTR Region 9 2.2.4 Chikungunya-Fieber 12 2.3 Stechmücken 13 2.3.1 Taxonomie und Stechmückenarten in Deutschland 13 2.3.2 Allgemeine Morphologie, Biologie und Ökologie 14 2.3.2.1 Eiablage und Schlüpfen der Larven 15 2.3.2.2 Aquatische Entwicklungsstadien 16 2.3.2.3 Adulte 17 2.3.2.4 Flugverhalten und Überwinterungsstrategien 19 2.3.3 Arboviren in Deutschland 20 3 Publikation 26 3.1 Stellungnahme zum Eigenanteil an den Arbeiten zur Publikation 26 3.2 Publikation 27 4 Diskussion 42 5 Zusammenfassung 49 6 Summary 51 7 Literaturverzeichnis 53 8 Danksagung 6

Characterization and Vector Competence Studies of Chikungunya Virus Lacking Repetitive Motifs in the 3′ Untranslated Region of the Genome

Using reverse genetics, we analyzed a chikungunya virus (CHIKV) isolate of the Indian Ocean lineage lacking direct repeat (DR) elements in the 3′ untranslated region, namely DR1a and DR2a. While this deletion mutant CHIKV-∆DR exhibited growth characteristics comparable to the wild-type virus in Baby Hamster Kidney cells, replication of the mutant was reduced in Aedes albopictus C6/36 and Ae. aegypti Aag2 cells. Using oral and intrathoracic infection of mosquitoes, viral infectivity, dissemination, and transmission of CHIKV-∆DR could be shown for the well-known CHIKV vectors Ae. aegypti and Ae. albopictus. Oral infection of Ae. vexans and Culex pipiens mosquitoes with mutant or wild-type CHIKV showed very limited infectivity. Dissemination, transmission, and transmission efficiencies as determined via viral RNA in the saliva were slightly higher in Ae. vexans for the wild-type virus than for CHIKV-∆DR. However, both Ae. vexans and Cx. pipiens allowed efficient viral replication after intrathoracic injection confirming that the midgut barrier is an important determinant for the compromised infectivity after oral infection. Transmission efficiencies were neither significantly different between Ae. vexans and Cx. pipiens nor between wild-type and CHIKV-∆DR. With a combined transmission efficiency of 6%, both Ae. vexans and Cx. pipiens might serve as potential vectors in temperate regions

Characterization and Vector Competence Studies of Chikungunya Virus Lacking Repetitive Motifs in the 3′ Untranslated Region of the Genome

Using reverse genetics, we analyzed a chikungunya virus (CHIKV) isolate of the Indian Ocean lineage lacking direct repeat (DR) elements in the 3′ untranslated region, namely DR1a and DR2a. While this deletion mutant CHIKV-∆DR exhibited growth characteristics comparable to the wild-type virus in Baby Hamster Kidney cells, replication of the mutant was reduced in Aedes albopictus C6/36 and Ae. aegypti Aag2 cells. Using oral and intrathoracic infection of mosquitoes, viral infectivity, dissemination, and transmission of CHIKV-∆DR could be shown for the well-known CHIKV vectors Ae. aegypti and Ae. albopictus. Oral infection of Ae. vexans and Culex pipiens mosquitoes with mutant or wild-type CHIKV showed very limited infectivity. Dissemination, transmission, and transmission efficiencies as determined via viral RNA in the saliva were slightly higher in Ae. vexans for the wild-type virus than for CHIKV-∆DR. However, both Ae. vexans and Cx. pipiens allowed efficient viral replication after intrathoracic injection confirming that the midgut barrier is an important determinant for the compromised infectivity after oral infection. Transmission efficiencies were neither significantly different between Ae. vexans and Cx. pipiens nor between wild-type and CHIKV-∆DR. With a combined transmission efficiency of 6%, both Ae. vexans and Cx. pipiens might serve as potential vectors in temperate regions

Characterization and Vector Competence Studies of Chikungunya Virus Lacking Repetitive Motifs in the 3′ Untranslated Region of the Genome

Using reverse genetics, we analyzed a chikungunya virus (CHIKV) isolate of the Indian Ocean lineage lacking direct repeat (DR) elements in the 3′ untranslated region, namely DR1a and DR2a. While this deletion mutant CHIKV-∆DR exhibited growth characteristics comparable to the wild-type virus in Baby Hamster Kidney cells, replication of the mutant was reduced in Aedes albopictus C6/36 and Ae. aegypti Aag2 cells. Using oral and intrathoracic infection of mosquitoes, viral infectivity, dissemination, and transmission of CHIKV-∆DR could be shown for the well-known CHIKV vectors Ae. aegypti and Ae. albopictus. Oral infection of Ae. vexans and Culex pipiens mosquitoes with mutant or wild-type CHIKV showed very limited infectivity. Dissemination, transmission, and transmission efficiencies as determined via viral RNA in the saliva were slightly higher in Ae. vexans for the wild-type virus than for CHIKV-∆DR. However, both Ae. vexans and Cx. pipiens allowed efficient viral replication after intrathoracic injection confirming that the midgut barrier is an important determinant for the compromised infectivity after oral infection. Transmission efficiencies were neither significantly different between Ae. vexans and Cx. pipiens nor between wild-type and CHIKV-∆DR. With a combined transmission efficiency of 6%, both Ae. vexans and Cx. pipiens might serve as potential vectors in temperate regions