Orf Virus Gene Signatures Associated with Jumping the Host-Species Barrier from Small Ruminants into Humans

Abstract

Orf virus is a member of the parapoxvirus genus that causes contagious ecthyma in the skin of sheep and goats which are its natural hosts, and this sometimes causes high mortality in lambs and kids. Many cases of transmission to humans from infected animals or meat have been reported around the world, but there are no reports of deaths in humans. Understanding the determinants of zoonosis for viruses that are capable of jumping the species barrier is important in order to predict and prevent pandemics that could result from an otherwise unexpected evolutionary shift in a virus that is already capable of infecting humans. Viral determinants of zoonosis have not previously been identified for Orf virus. This study aims to identify potential molecular determinants of Orf virus zoonosis. A comparative genomic approach was used to screen 17 viral genomes isolated from human and animal hosts for candidate genes that share poor sequence homology between hosts. Multiple sequence alignment and phylogenetic analysis were performed for all candidate genes. As there are only 2 complete genomes for viruses isolated from humans existing in the NCBI database, we gathered local Palestinian Orf virus isolates from 7 human zoonotic events to increase the number of our sequences for candidate gene hypothesis testing. Phylogenetic analysis of fifteen candidate genes that had been revealed by the comparative genomic approach showed that a distinct human cluster was found in 3 genes. There 12 amino acid substitutions that distinguished the 2 human-derived genomes from the rest (branch IV), One gene was then selected for single gene analysis, and 1 of 5 Palestinian sequences from zoonotic events clustered in branch IV with the 2 genome derived sequences. In addition, 2 sequences from tissue culture adapted Orf viruses were found in the NCBI database, and these also clustered in branch IV, from which it is proposed that there could be determinants within this gene that are associated with host-range preference. Remarkably, there are 12 novel non-synonymous mutations in one gene that characterize this cluster; four of these substitutions were mapped to a functionally important loop between the β7 and β8 strands and also in β1 and β2 strands, which are binding regions for chemokine, and 5 substitutions are found in sites with unknown functional significance, but where there is absolutely conservation of sequence in natural hosts. To our knowledge, this is the first study to identify molecular determinants that increase the likelihood of Orf virus zoonosis. دراسة الاختلافات الجزيئية للجينات المرتبطة بإنتقال فيروس الإكثمية المعدية (الأورف) من المجترات الصغيرة إلى البشر "الأورف" هو مرض جلدي تسببه الفيروسات الجدرية، ينتقل للبشر عن طريق التعامل مع الأغنام والماعز أو الذبائح المصابة أو المواد الملوثة. هذا المرض شديد العدوي والخطورة حيث يؤدي غالبا الى الموت في المضيف الحيواني ولكن لا توجد تقارير عن تسببه بوفيات بين البشر. من المهم أن نفهم المحددات الجزيئية لجميع الفيروسات التي ثبت أنها قادرة على القفز بين الأنواع من أجل التنبؤ بالأوبئة المحتملة والعمل على منعها في المستقبل، حتى لو لم تكن هناك وفيات بين البشر. لم تتم دراسة المحددات الفيروسية لمرض الاورف من قبل لذلك تهدف هذه الدراسة إلى تحديد المحددات الجزيئية المحتملة للإصابة بفيروس أورف حيواني المنشأ. تم استخدام تحليل مقارنة الجينوم لفحص 17 جينومًا فيروسيًا معزولًا من البشر والحيوانات بحثًا عن الجينات المرشحة التي لديها تسلسل مختلف بين المضيفين. يتمثل أحد قيود هذه الدراسة في وجود جينومين كاملين فقط للفيروسات المعزولة عن البشر في قاعدة بيانات .NCBI للتغلب على هذا القيد ، قمنا بتجميع عزلات من اصابات بشرية في فلسطين من مصادر مختلفة لزيادة عدد التسلسلات الخاصة بنا لاختبار فرضية الجينات المرشحة. نتج عن مقارنة بيانات الجينوم لفيروس الأورف 15 جين قد يرتبطون باختلافات تميز الفيروس المعزول من الإنسان عن الحيوانات. ومن ثم تم عمل محاذاة التسلسل وتحليل النشوء والتطور لجميع هذه الجينات ، ثلاث جينات اظهرت انفصال الفيروس المعزول من البشر في فرع منفصل عن الحيوانات. تم اختيار جين واحد حيث اظهر 12 طفرة جينية في حين ان الجينات الاخر لم تظهر هذا العدد ،والذي كان مدعومًا جزئيًا (1 من 5) من خلال إدراج تسلسلات من العينات الفلسطيينية المأخوذة من البشر. بالإضافة إلى ذلك ، تم العثور في قاعدة بيانات NCBI على تسلسلين لفيروسات Orf بعد عزلها من أنسجة بعد زراعتها داخل المختبر، وتجمعت هذه التسلسلات في نفس فرع الفيروسات المعزولة من الإنسان ، وهذا يدل على امكانية وجود محددات داخل هذا الجين تحدد تقضيل هذا المضيف. تم تحديد اثني عشر طفرة جديدة على مستوى الحمض الأميني في جين واحد والتي تميز العزلات الفيروسية من الإنسان وتحديد محددات جزيئية معينة لهذا الفيروس. تم تحديد أربعة من هذه الطفرات في مواقع مهمة وظيفيًا في سلسلة β1، سلسلة β2 والحلقة الواصلة بين سلسلة β7 وسلسلة β8 .بينما تم تحديد خمسة منها في مواقع محفوظة داخل الجين اهميتها غير الوظيفية غير معروفة. هذا العمل يوضح ولأول مرة الاختلافات البنائية التي من الممكن أن تبدأ بتفسير تفضيلات فيروس الأورف للأنواع المضيفة والتي يمكن أن تساعد في فهم القفز عبر الأنواع.