Global mRNA and miRNA transcriptome profiling of peripheral blood mononuclear cells to investigate the host immunogenetic response to PRRSV vaccination in pigs

Abstract

This dissertation aims to identify the candidate genes of the functional network of host immune response to porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) vaccine in pigs; to explore the breed differences on vaccine induced transcriptional response between German Landrace (DL) and Pietrain (Pi) pigs; and to elucidate the post transcriptional regulatory mechanism of vaccine induced gene expression in the peripheral blood mononuclear cells (PBMCs). The Affymetrix gene chip microarray technique was employed for global expression profiling of messenger RNA (mRNA) and microRNA (miRNA) in PBMCs collected in a time series manner following PRRSV vaccination in purebred DL and Pi pigs. Additionally, microarray expression results were validated by qRT-PCR and the PRRSV-specific plasma antibody titre was monitored by ELISA. The PRRSV-specific plasma antibody titre indicated the piglets free from maternal antibody at the time of primary vaccination and rose above the threshold following two weeks of the primary vaccination that subsequently reached a plateau at four weeks post vaccination. The global mRNA profiling of PBMCs from PRRSV vaccinated and age-matched unvaccinated Landrace pigs at immediately before (0 h), and at 6, 24 and 72 h after PRRSV vaccination revealed a distinct host innate immune transcriptional response. A total of 14,231 transcripts were found to be expressed in PBMCs of vaccinated and unvaccinated pigs. Differential expression analysis (FDR < 0.01 and FC > ±1.5) identified 542, 2,263 and 357 differentially expressed genes at 6, 24 and 72 h post vaccination. APP, TRAF6, PIN1, FOS, CDKN1A and TNFAIP3 identified to be potential candidate genes for early stage PRRSV vaccine response in Landrace pigs. In Pietrain pigs, 295 and 116 transcripts were found to be differentially expressed in PBMCs at 1 and 28 days post vaccination, respectively. This study suggested that the innate immune transcriptional network is likely to be regulated by LCK, STAT3, ATP5B, UBB and RSP17; while TGFβ1, IL7R, RAD21, SP1 and GZMB were found to be predictive for the adaptive immune transcriptional response to PRRSV vaccine in PBMCs of Pi pigs. The global microRNA profiles of PBMCs identified 12, 259 and 14 differentially expressed (DE) miRNAs in DL; and 0, 222 and 13 DE miRNAs in Pietrain at 6, 24 and 72 h post vaccination, respectively. There were remarkable differences on expression dynamics of both mRNAs and miRNAs between DL and Pi pigs. Integrated mRNA-miRNA network revealed the inverse correlation between vaccine induced altered mRNAs and miRNAs in PBMCs. Results of this immunogenomics study advances our understanding on the genetic control of PRRS.

<strong>Erstellung von globalen mRNA und miRNA Transkriptomprofilen in mononukleäre Zellen des peripheren Blutes zur Untersuchung der Wirts immunogenetischen Reaktion auf eine PRRSV Impfung bei Schweinen</strong><br /> Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, Kandidatengene des funktionellen Netzwerks der wirtsspezifischen Immunantwort auf den PRRS-Virus (PRRSV) Impfstoff bei Schweinen zu identifizieren; um transkriptionale Unterschiede durch den induzierten Impfstoff in den zwei Schweinerassen Deutschen Landrasse (DL) und Piétrain (Pi) zu erkunden; und die Aufklärung von Post-transkriptionellen Mechanismen bedingt durch den Impfstoff in den mononukleären Zellen des peripheren Blutes (PBMCs). Zur Erstellung der Transkriptomprofile der Boten-RNA (mRNA) sowie der microRNA (miRNA) in reinrassigen DL und Pi Schweinen zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach der PRRSV Impfung wurde die Affymetrix Gen-Chip-Microarray-Technik eingesetzt. Zusätzlich wurden die Microarray Ergebnisse mittels qRT-PCR validiert und die PRRSV-spezifischen Plasma Antikörpertiter durch ELISA bestimmt. Durch den PRRSV-spezifischen Plasma Antikörpertiter zeigte sich, dass die Ferkel frei von mütterlichen Antikörpern zum Zeitpunkt der Erstimpfung waren. Nach der ersten Impfung stieg der Titer in den folgenden zwei Wochen über dem Grenzwert, und erreichte sein Plateau vier Wochen nach der Impfung. Die Betrachtung der globalen mRNA Profile von PBMCs von PRRSV geimpft und ungeimpften DL Schweinen unmittelbar vor 0 und mit 6, 24 und 72 h nach der Impfung ergab eine deutlich angeborene transkriptionelle Wirts Immunreaktion. Insgesamt waren 14.231 Transkripte in PBMCs von geimpften und nicht geimpften Schweine exprimiert. Die Expressionsanalyse (FDR <0,01 und FC> ± 1,5) identifiziert 542, 2263 und 357 differentiell exprimierte Gene 6, 24 und 72 h nach der Impfung. Als potenzielle Kandidatengene für das frühe Stadium der Impfreaktion konnten APP, TRAF6, PIN1, FOS, CDKN1A und TNFAIP3 identifiziert werden. In Piétrain Schweinen waren 295 und 116 Transkripte in PBMCs an Tag 1 und 28 nach der Impfung unterschiedlich exprimiert. Diese Ergebnisse zeigen, dass das angeborene Immunnetzwerk wahrscheinlich durch LCK, STAT3, ATP5B, UBB und RSP17 geregelt wird; während sich TGFβ1, IL7R, Rad21, SP1 und GZMB für die adaptive Immunreaktion auf den PRRSV-Impfstoff in PBMCs von Pi-Schweinen als prädiktiv erwiesen. Die microRNA-Profile von PBMCs identifiziert 12, 259 und 14 unterschiedlich exprimiert miRNAs in DL; und 0, 222 und 13 miRNAs in Pi, 6, 24 und 72 h nach der Impfung. Es gab deutliche Unterschiede bei der Expressionsdynamik sowohl bei der mRNAs als auch miRNAs zwischen DL und Pi Schweine. Integrierte mRNA-miRNA-Netzwerke zeigen eine inverse Korrelation zwischen der durch den Impfstoff induzierten veränderten mRNAs und miRNAs Expression in PBMCs. Die Ergebnisse dieser immunogenomischen Studie erweitert unser Verständnis über die genetische Kontrolle von PRRS.