Transcriptome analysis using RNA-Seq on response of respiratory cells infected with porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV)

Abstract

The porcine reproductive and respiratory syndrome (PRRS) is one of the most important viral diseases of the swine industry worldwide (Balasuriya 2013). Its aetiological agent is the PRRS virus (PRRSV) (Balasuriya 2013, Conzelmann et al. 1993). The understanding of the genetic elements and functions, involved in the response to PRRSV and the comprehension of the changes in the global transcriptome profile post infection, remain still unclear.<br /> Main objectives of this thesis are to characterize the global transcriptome profile of PRRSV infected lung DCs, by using the RNA-Sequencing (RNA-Seq), to improve the understanding of genetic components in the response to PRRSV as well as to determine the changes in the expression profile in different respiratory cells post PRRSV infection.<br /> Six female 30 days old piglets of two different porcine breeds (Pietrain and Duroc) were selected, PAMs, lung DCs and trachea epithelial cells were isolated and infected with the European prototype PRRSV strain Lelystad virus (LV). Non-infected (0 h) and infected (3, 6, 9, 12, 24 hpi) lung DCs, PAMs and trachea epithelial cells as well as cell culture supernatants were collected. Non-infected and infected lung DCs of both breeds were used for RNA-Seq. The sequence alignment was done with the reference genome build Suscrofa 10.2 and with the complete genome of LV strain.<br /> The transcriptome analysis of PRRSV infected lung DCs of Pietrain and Duroc resulted in an amount of 20,396 porcine predicted gene transcripts. The virus sequence alignment exhibited that the LV strain was able to infect lung DCs and to replicate there. Not only breed-differences post PRRSV infection in the virus growth, also breed-differences in the cytokine concentrations as well as in the detected mRNA expression profiles and in the differently expressed genes were identified. Beside these breed-dependent differences, cell-type dependent differences in the response to PRRSV were characterized. 37 clusters for Pietrain and 35 clusters for Duroc and important pathways were identified.<br /> This thesis is the first comprehensive study that described the transcriptome profile of two different breeds post PRRSV infection, especially of infected lung DCs. The main findings of the investigations showed that the virus-host interaction was different for the various respiratory celltypes and that the gene expression trends proceeded contrarily for both breeds during the first time points after infection. Additionally, key clusters, key pathways and specific gene transcripts were identified.

<strong>Transkriptom-Analyse mittels RNA-Seq von respiratorischen Zellen nach deren Infektion mit dem Porcinen Reproduktiven und Respiratorischen Syndrom Virus (PRRSV)</strong><br /> Das Porcine Reproduktive und Respiratorische Syndrom (PRRS) ist eine der wichtigsten viralen Erkrankungen in der weltweiten Schweineindustrie (Balasuriya 2013). Das PRRS Virus (PRRSV) ist der ätiologische Erreger (Balasuriya 2013, Conzelmann et al. 1993). Die Einflussnahme von genetischen Elementen und Funktionen auf die Reaktion auf PRRSV sowie die Veränderungen im Transkriptomprofil nach einer Infektion sind noch unklar.<br /> Hauptziele dieser Dissertation sind, das globale Transkriptomprofil von PRRSV infizierten Lungen-DCs mittels RNA-Sequenzierung (RNA-Seq) zu charakterisieren, das Verständnis über die Einflüsse von genetischen Komponenten auf die Reaktion auf PRRSV zu verbessern und die Veränderungen im Expressionsprofil von unterschiedlichen respiratorischen Zellen nach der Virusinfektion zu ermitteln.<br /> Sechs weibliche, 30 Tage alte Ferkel von zwei unterschiedlichen Schweinerassen (Piétrain und Duroc) wurden ausgewählt. Aus deren Lungen wurden PAMs und DCs sowie Epithelzellen aus deren Trachea isoliert. Anschließend wurden diese Zellen mit dem europäischen PRRSV Stamm Lelystad Virus (LV) infiziert. Nicht-infizierte (0 h) und infizierte (3, 6, 9, 12, 24 hpi) Lungen-DCs, PAMs und Trachea-Epithelzellen wie auch deren Zellkulturüberstände wurden gesammelt. Zur RNA-Seq wurden nicht-infizierte und infizierte Lungen-DCs beider Schweinerassen eingesetzt. Das Sequenzalignment erfolgte mit dem Referenzgenombild Suscrofa 10.2 und mit dem kompletten Genom des LV Stammes. Die Transkriptom-Analyse von PRRSV infizierten Piétrain und Duroc Lungen-DCs erkannte 20.396 porcine Gentranskripte. Das Virus Sequenzalignment zeigte, dass der LV Stamm sowohl Lungen-DCs infizieren als auch sich dort replizieren kann. Nach der PRRSV Infektion konnten Rassenunterschiede festgestellt werden, sowohl beim Viruswachstum als auch in den Cytokinkonzentrationen sowie in identifizierten mRNA Expressionsprofilen und bei den unterschiedlich exprimierten Genen. Zudem konnten Reaktionsunterschiede auf PRRSV in den verschiedenen respiratorischen Zelltypen charakterisiert werden. Es wurden 37 Cluster für Piétrain, 35 für Duroc sowie wichtige Pathways identifiziert.<br /> Diese Dissertation ist die erste umfassende Studie, die das Transkriptomprofil von PRRSV infizierten Lungen-DCs zweier unterschiedlicher Schweinerassen beschreibt. Als Hauptergebnisse zeigten die Untersuchungen, dass die Virus-Wirts-Interaktionen für die verschiedenen respiratorischen Zellen unterschiedlich verliefen und dass die Genexpressionstrends beider Rassen während der ersten Zeitpunkte nach der Infektion verschieden waren. Zusätzlich konnten Schlüssel-Cluster, Schlüssel-Pathways und spezifische Gentranskripte identifiziert werden.