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Expanding the virosphere – Advanced genomic classification

  • The virosphere comprises all known and unknown viruses in our ecosystems. Advanced sequencing technologies in combination with metagenomic analysis have become a key tool for exploring this global diversity of viruses. However, discovery of novel viruses and comparative analyses are often based on small sequence fragments or lack biological context, which restricts a proper classification. In this study advanced genomic methods were used that included comprehensive knowledge of viral genomes along with supporting biological metadata in order to identify and classify viruses at different levels of genetic relationships. In a first example, the genetic background of vaccine-induced rabies cases was revealed by analyzing and comparing the genetic diversity of viral populations. Furthermore, the fundament for a taxonomic reclassification of orthopoxviruses was established on basis of a wide scale genomic analysis. In addition, novel neurotropic mamastroviruses from sheep and cattle were classified as members of a single species that provided evidence of interspecies transmission. Finally, two putative novel species of alphaherpesviruses and orthopoxviruses were identified. These examples are based on field cases that provide substantial corresponding clinical metadata and information of host-pathogen interactions. The analyses, therefore, puts taxonomic classification into biological and epidemiological context, rather than addressing generic phylogenetic relationships. Furthermore, the presented work demonstrates that a universal approach for virus classification is neither feasible nor reasonable as analyses must be adjusted the nature of the addressed virus. All results with impact on the current taxonomic classification will be or are already reported to the International Committee on Taxonomy of Viruses. In conclusion, this thesis contributed to the classification concepts of viruses and expanded the knowledge of virosphere diversity.
  • Die Virosphäre umfasst alle bekannten und unbekannten Viren in den Ökosystemen. Fortschrittliche Methoden der Sequenzierung in Kombination mit Metagenomanalysen entwickelten sich zu Schlüsseltechnologien zur Erforschung dieser globalen Diversität an Viren. Entdeckung und vergleichende Analysen von neuen und neuartigen Viren basieren allerdings oft auf kurzen Sequenzfragmenten oder vernachlässigen den biologischen Kontext, was eine angemessene Klassifizierung dieser einschränkt. In dieser Studie wurden fortschrittliche Methoden der Genomik unter Einbeziehung umfangreicher biologischen Metadaten angewendet um neue Viren zu identifizieren und diese auf unterschiedlichen Ebenen genetischer Verwandtschaft zu klassifizieren. Im ersten Beispiel wurde der genetische Hintergrund von Vakzine-induzierten Tollwutfällen aufgedeckt, in dem die genetische Diversität innerhalb von viralen Populationen analysiert wurde. Des Weiteren wurde auf Grundlage von umfangreichen Genomanalysen eine Basis für die taxonomische Reklassifizierung der Orthopocken etabliert. Außerdem lieferte die Klassifizierung einer neuartigen Spezies von Mamastroviren Hinweise auf eine Übertragung dieser zwischen Schafen und Rindern. Abschließend konnte jeweils eine neue Virusspezies innerhalb der Alphaherpesviren und den Orthopocken identifiziert werden. Die genannten Beispielanalysen basieren auf realen Fällen und beziehen umfangreiche klinische Metadaten sowie Informationen zu Virus-Wirt-Wechselwirkungen ein. Alle getroffenen taxonomischen Klassifizierungen stehen daher, anders als in üblichen phylogenetischen Analysen, in einem biologischen und epidemiologischen Kontext. Des Weiteren demonstriert die hier vorliegende Arbeit, dass ein universeller Ansatz zur Klassifizierung von Viren weder durchführbar noch sinnvoll ist, da jede Analyse auf die Natur des adressierten Virus angepasst werden muss. Alle Ergebnisse dieser Arbeit mit Einfluss auf die aktuelle taxonomische Klassifizierung von Viren wurden dem Internationalen Komitee zur Virustaxonomie (International Committee on Taxonomy of Viruses) mitgeteilt. Zusammenfassend trägt die vorliegende Arbeit zu Konzepten der Virus Klassifizierung bei und erweitert das Wissen um die Diversität der Virosphäre.

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Metadaten
Author: Florian Pfaff
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002923-4
Title Additional (German):Erweiterung der Virosphäre - Fortschrittliche Klassifizierung auf Basis des Genoms
Advisor:Prof. Dr. Dr. h.c. Thomas C. Mettenleiter
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2017/11/15
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2017/10/23
Release Date:2017/11/15
Tag:Genomic classification, Virus discovery
GND Keyword:Genomik, Herpesviren, Kuhpocken, Phylogenetik, Sequenzanalyse <Chemie>, Tollwut, Viren, Virologie
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Abteilung für Mikrobiologie und Molekularbiologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie
MSC-Classification:92-XX BIOLOGY AND OTHER NATURAL SCIENCES / 92Dxx Genetics and population dynamics / 92D20 Protein sequences, DNA sequences
92-XX BIOLOGY AND OTHER NATURAL SCIENCES / 92Dxx Genetics and population dynamics / 92D30 Epidemiology