Formation of population gene pools of zoonotic viruses, potentially threatening biosafety

Cover Image

Cite item

Full Text

Abstract

The possible formation of population gene pools of zoonotic viruses with a respiratory route of transmission and a possibility of a pandemic at different stages of biosphere evolution is analyzed. Forming of Poxviruses  (Entomopoxvirinae) gene pool could be the beginning of transformation from Plants to Arthropoda (Carbon – 375 million years ago) with further evolution connected with Rodentia (Pliocene – 75–70 million years ago) and further separation of genera (500–300 thousand years ago), and respiratory transmission (epidemics) between humans (10–2 thousand years BC). Smallpox comeback would be possible. Orthomyxoviruses relicts (genus Isavirus) were possibly connected with Ichthya (Silurian – 500–410 million years ago), and then close interaction with Aves (the Cretaceous, 125–110 million years ago) with the division of genera and respiratory transmission (epidemics) between humans (10–2 thousand BC). Next pandemic of influenza A could be catastrophic in terms of the number of victims and economic damage.
Coronaviruses formed a gene pool by interaction with Amphibia (subfamily Letovirinae) and then with Chiroptera in Tertiary (110–75 million years ago) with transformation to Artiodactyla (Eocene – 70–60 million years ago), and only 10–2 thousand years BC acquired the ability to a respiratory transmission and became Alphaviruses, a seasonal infection of humans. A similar situation is possible in the near future with SARS-CoV-2. Pandemics associated with zoonoses even more serious than COVID-19 are likely. Constant monitoring of  populational gene pools of zoonotic viruses is necessary.


About the authors

D. K. Lvov

D.I. Ivanovsky Institute of Virology. N.F Gamaleya National Research Center of Epidemiology and Microbiology of the Ministry of Health of the Russian Federation, Russian Federation

Author for correspondence.
Email: dk_lvov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8176-6582

D.Sci. (Med.), Prof., Academician of the Russian Academy of Sciences, Head of еру Department of Ecology of Viruses with Center of Ecology and Epidemiology of Influenza

Moscow, 123098

Russian Federation

M. I. Gulyukin

Federal State Budget Scientific Institution «Federal Scientific Center VIEV»

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-7489-6175

D.Sci. (Vet.), Prof., Academician of the Russian Academy of Sciences, Head of the research Department 

109428, Moscow

Russian Federation

A. D. Zaberezhniy

Federal State Budget Scientific Institution «Federal Scientific Center VIEV»

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0001-7635-2596

D.Sci. (Bio.), Prof., corresponding member of the Russian Academy of Sciences, Deputy Director

109428, Moscow

Russian Federation

A. M. Gulyukin

Federal State Budget Scientific Institution «Federal Scientific Center VIEV»

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0003-2160-4770

D.Sci. (Vet.), Director 

109428, Moscow

Russian Federation

References

  1. Львов Д.К. Рождение и развитие вирусологии – история изучения новых и возвращающихся инфекций. Вопросы вирусологии. 2012; (S1): 5–20.
  2. Жданов В.М., Львов Д.К. Эволюция возбудителей инфекционных болезней. М.: Медицина; 1984.
  3. Львов Д.К. Экология вирусов. Вестник Академии медицинских наук СССР. 1983; (12): 71–82.
  4. Бухарин О.В., Литвин В.Ю. Патогенные бактерии в природных экосистемах. Екатеринбург; 1997.
  5. Suarez D.L. Influenza A Virus. In: Avian Influenza. Oxford, UK: Blackwell Publishing Ltd.; 2009: 1–22. https://doi.org/10.1002/9780813818634.ch1
  6. Shchelkunov S.N. How long ago did smallpox virus emerge? Arch. Virol. 2009; 154(12): 1885–71. https://doi.org/10.1007/s00705-009-0536-0
  7. Щелкунов С.Н. Возможен ли возврат оспы. Молекулярная медицина. 2011; (4): 36–41.
  8. Зверев В.В., Гинцбург А.Л., Пальцев А.М., Львов Д.К., Маренникова С.С. Натуральная оспа – дремлющий вулкан. Вопросы вирусологии. 2008; 53(4): 1–9.
  9. Львов Д.К., Борисевич С.В., Альховский С.В., Бурцева Е.И. Актуальные подходы анализа вирусных геномов в интересах биобезопасности. Инфекционные болезни: Новости. Мнения. Обучение. 2019; (8): 96–101. https://doi.org/10.24411/2305-3496-2019-0000
  10. Щелкунов С.Н., Щелкунова Г.А. Нужно быть готовыми к возврату оспы. Вопросы вирусологии. 2019; 64(5): 206–14. https://doi.org/10.36233/0507-4088-2019-64-5-206-214
  11. Meltzer M., Damon I., LeDuc J.W., Millar J.D. Modeling potential responses to smallpox as a bioterrorist weapon. Emerg. Infect. Dis. 2001; 7(6): 959–69. https://doi.org/10.3201/eid0706.010607
  12. Борисевич С.В., Маренникова С.С., Стовба Л.Ф., Петров А.А., Кратков В.Т., Мехлай А.А. Оспа буйволов. Вопросы вирусологии. 2016; 61(5): 200–4. https://doi.org/10.18821/0507-4088-2016-61-5-200-204
  13. Di Giulio D.B., Eckburg P.B. Human monkeypox: an emerging zoonosis. Lancet Infect. Dis. 2004; 4(4): 15–25. https://doi.org/10.1016/s1473-3099(03)00856-9
  14. Formenty P., Muntasir M.O., Damon I., Chowdhary V., Opoka M.L., Monimart C., et al. Human monkeypox outbreak caused by novel virus belonging to Congo Basin clade, Sudan, 2005. Emerg. Infect. Dis. 2010; 16(10): 1539–45. https://doi.org/10.3201/eid1610.100713
  15. Rimoin A.W., Mulembakani P.M., Johnston S.C., Lloyd Smith J.O., Kisalu N.K., Kinkela T.L., et al. Major increase in human monkeypox incidence 30 years after smallpox vaccination campaigns cease in the Democratic Republic of Congo. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010; 107(37): 16262–7. https://doi.org/10.1073/pnas.1005769107
  16. Khodakevich L., Szczeniowski M., Manbu-ma-Disu, Jezek Z., Marennikova S., Nakano J., et al. The role of squirrels in sustaining monkeypox virus transmission. Trop. Geogr. Med. 1987; 39(2): 115–22.
  17. Ladnyj I.D., Ziegler P., Kima E. A human infection caused by monkeypox virus in Basankusu Territory, Democratic Republic of the Congo. Bull. World Health Organ. 1972; 46(5): 593–7.
  18. Levine R.S., Peterson A.T., Yorita K.L., Carroll D., Damon I.K., Reynolds M.G. Ecological niche and geographic distribution of human monkeypox in Africa. PLoS One. 2007; 2(1): e176. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0000176
  19. Nakazawa Y., Emerson G.L., Carroll D.S., Zhao H., Li Y., Reynolds M.G., et al. Phylogenetic and ecologic perspectives of a monkeypox outbreak, southern Sudan, 2005. Emerg. Infect. Dis. 2013; 19(2): 237–45. https://doi.org/10.3201/eid1902.121220
  20. Tesh R.B., Watts D.M., Sbrana E., Siirin M., Popov V.L., Xiao S.Y. Experimental infection of ground squirrels (Spermophilus tridecemlineatus) with monkeypox virus. Emerg. Infect. Dis. 2004; 10(9): 1563–7. https://doi.org/10.3201/eid1009.040310
  21. Guarner J., Johnson B.J., Paddock C.D., Shieh W.J., Goldsmith C.S., Reynolds M.G., et al. Monkeypox transmission and pathogenesis in prairie dogs. Emerg. Infect. Dis. 2004; 10(3): 426–31. https://doi.org/10.3201/eid1003.030878
  22. Львов Д.К., Громашевский В.Л., Маренникова С.С. и др. Изоляция поксвируса (Poxviridae, Poxvirus) от полевки-экономки Microtus (M.) oeconomus Pall., 1778 в лесотундре Кольского полуострова. Вопросы вирусологии. 1998; 43(1): 24–92.
  23. Emerson G.L., Li Y., Frace M.A., Olsen-Rasmussen M.A., Khristova M.L., Govil D., et al. The phylogenetics and ecology of the orthopoxviruses endemic to North America. PLoS One. 2009; 4(10): e7666. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0007666
  24. Foege W.H. House on fire: the fight to eradicate smallpox. Volume 21. California; 2011: 1–218.
  25. Львов Д.К. Грипп и другие новые и возвращающиеся инфекции Северной Евразии: глобальные последствия. Федеральный справочник здравоохранения России. 2010; (11): 209–19.
  26. Klenk K.D., Matrosovich M.H., Stech J., eds. Avian Influenza. Volume 27. Basel: Karger Medical and Scientific Publishers; 2008.
  27. Lvov D.K., Shchelkanov M.Y., Alkhovsky S.V., Deryabin P.G. Zoonotic viruses of Northern Eurasia: Taxonomy and ecology. London: Academic Press Elsevier; 2015.
  28. Lvov D.K., Shchelkanov M.Y., Prilipov A.G., Vlasov N.A., Fedyakina I.T., Deryabin P.G., et al. Evolution of highly pathogenic avian influenza H5N1 virus in natural ecosystems of northern Eurasia (2005-08). Avian Dis. 2010; 54(1 Suppl.): 483–95. https://doi.org/10.1637/8893-042509-review.1
  29. Herfst S., Schrauwen E.J., Linster M., Chutinimitkul S., de Wit E., Munster V.J., et al. Airborne transmission of influenza A/H5N1 virus between ferrets. Science. 2012; 336(6088): 1534–41. https://doi.org/10.1126/science.1213362
  30. Imai M., Watanabe T., Hatta M., Das S.C., Ozawa M., Shinya K., et al. Experimental adaptation of an influenza H5 HA confers respiratory droplet transmission to a reassortant H5 HA/H1N1 virus in ferrets. Nature. 2012; 486(7403): 420–8. https://doi.org/10.1038/nature10831
  31. WHO. Antigenic and genetic characteristics of zoonotic influenza viruses and development of candidate vaccine viruses for pandemic preparedness 28 Available at: https://www.who.int/influenza/vaccines/virus/characteristics_virus_vaccines/en/
  32. Львов Д.К., Алипер Т.И., Дерябин П.Г., Забережный А.Д., Гребенникова Т.В., Сергеев В.А. Вакцина против гриппа птиц инактивированная эмульгированная ФЛУ ПРОТЕКТ Н5 и способ профилактики гриппа птиц. Патент РФ №23503350; 2009.
  33. Львов Д.К., Альховский С.В., Колобухина Л.В., Бурцева Е.И. Этиология эпидемической вспышки COVID-19 в г. Ухань (провинция Хубэй, Китайская Народная Республика), ассоциированной с вирусом 2019-nCoV (Nidovirales, Coronaviridae, Coronavirinae, Betacoronavirus, подрод Sarbecovirus): уроки эпидемии SARS-CoV. Вопросы вирусологии. 2020; 65(1): 6–16. https://doi.org/10.36233/0507-4088-2020-65-1-6-15
  34. Львов Д.К., Альховский С.В. Истоки пандемии COVID-19: экология и генетика коронавирусов (Betacoronavirus: Coronaviridae) SARS-CoV, SARS-CoV-2 (подрод Sarbecovirus), MERSCoV (подрод Merbecovirus). Вопросы вирусологии. 2020; 65(2): 62–70. https://doi.org/10.36233/0507-4088-2020-65-2-62-70
  35. Li W., Shi Z., Yu M., Ren W., Smith C., Epstein J.H., et al. Bats are natural reservoirs of SARS-like coronaviruses. Science. 2005; 310(5748): 676–9. https://doi.org/10.1126/science.1118391
  36. Fan Y., Zhao K., Shi Z.L., Zhou P. Bat coronaviruses in China. Viruses. 2019; 11(3): 210. https://doi.org/10.3390/v11030210
  37. Wang L.F., Shi Z., Zhang S., Field H., Daszak P., Eaton B.T. Review of bats and SARS. Emerg. Infect. Dis. 2006; 12(12): 1834–40. https://doi.org/10.3201/eid1212.060401
  38. Hu B., Zeng L.P., Lou Y.X., Ge X.Y., Zhang W., Li B., et al. Discovery of a rich gene pool of bat SARS-related coronaviruses provides new insights into the origin of SARS coronavirus. PLoS Pathog. 2017; 13(11): e1006698. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1006698
  39. Ge X.Y., Wang N., Zhang W., Hu B., Li B., Zhang Y.Z., et al. Coexistence of multiple coronaviruses in several bat colonies in an abandoned mineshaft. Virol. Sin. 2016; 31(1): 31–40. https://doi.org/10.1007/s12250-016-3713-9
  40. Corman V.M., Ithete N.L., Richards L.R., Schoeman M.C., Preiser W., Drosten C., et al. Rooting the phylogenetic tree of middle east respiratory syndrome coronavirus by characterization of a conspecific virus from an african bat. J. Virol. 2014; 88(19): 11297–303. https://doi.org/10.1128/jvi.01498-14
  41. Yang L., Wu Z., Ren X., Yang F., Zhang J., He G., et al. MERS–Related Betacoronavirus in Vespertilio superans Bats, China. Emerg. Infect. Dis. 2014; 20(7): 1260–2. https://doi.org/10.3201/eid2007.140318
  42. Zhou P., Yang X.L., Wang X.G., Hu B., Zhang L., Zhang W., et al. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature. 2020; 579(7798): 270–3. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2012-7
  43. Rihtarič D., Hostnik P., Steyer A., Grom J., Toplak I. Identification of SARS-like coronaviruses in horseshoe bats (Rhinolophus hipposideros) in Slovenia. Arch. Virol. 2010; 155(7798): 507–14. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2012-7
  44. Ar Gouilh M., Puechmaille S.J., Diancourt L., Vandenbogaert M., Serra-Cobo J., Lopez Roïg M., et al. SARS-CoV related Betacoronavirus and diverse Alphacoronavirus members found in western old-world. Virology. 2018; 517: 88–97. https://doi.org/10.1016/j.virol.2018.01.014
  45. Balboni A., Palladini A., Bogliani G., Battilani M. Detection of a virus related to betacoronaviruses in Italian greater horseshoe bats. Epidemiol. Infect. 2011; 139(2): 216–9. https://doi.org/10.1017/s0950268810001147
  46. Donaldson E.F., Haskew A.N., Gates J.E., Huynh J., Moore C.J., Frieman M.B. Metagenomic analysis of the viromes of three North American bat species: viral diversity among different bat species that share a common habitat. J. Virol. 2010; 84(24): 13004–18. https://doi.org/10.1128/jvi.01255-10
  47. Dominguez S.R., O’Shea T.J., Oko L.M., Holmes K.V. Detection of group 1 coronaviruses in bats in North America. Emerg. Infect. Dis. 2007; 13(9): 1295–300. https://doi.org/10.3201/eid1309.070491
  48. Tong S., Conrardy C., Ruone S., Kuzmin I.V., Guo X., Tao Y., et al. Detection of novel SARS-like and other coronaviruses in bats from Kenya. Emerg. Infect. Dis. 2009; 15(3): 482–5. https://doi.org/10.3201/eid1503.081013
  49. Annan A., Baldwin H.J., Corman V.M., Klose S.M., Owusu M., Nkrumah E.E., et al. Human betacoronavirus 2c EMC/2012-related viruses in bats, Ghana and Europe. Emerg. Infect. Dis. 2013; 19(3): 456–9. https://doi.org/10.3201/eid1903.121503
  50. Львов Д.К., ред. Методические рекомендации. Организация эколого-эпидемиологического мониторинга территорий Российской Федерации с целью противоэпидемической защиты населения и войск. М.; 1993.
  51. Goodman R.A., Bauman C.F., Gregg M.B., Videtto J.F., Stroup D.F., Chalmers N.P. Epidemiologic field investigations by the Centers for Disease control and Epidemic Intelligence Service, 1946-87. Public Heal. Rep. 1990; 105(6): 604–10.
  52. Langmuir A.D. The epidemic intelligence service of the center for disease control. Public Heal. Rep. 1980; 95(5): 470–7.
  53. Langmuir A.D., Andrews J.M. Biological warfare defense. 2. The epidemic intelligence service of the communicable disease center. Am. J. Public Heal. Nations Heal. 1952; 42(3): 235–8. https://doi.org/10.2105/ajph.42.3.235
  54. Львов Д.К., Дерябин П.Г., Аристова В.А., Бутенко А.М., Галкина И.В., Громашевский В.Л. и др. Атлас распространения возбудителей природно-очаговых вирусных инфекций на территории Российской Федерации. М.; 2001.
  55. Lvov D.K. Ecological sounding of the USSR territory for natural foci of arboviruses. Sov. Med. Rev. Ser. E Virol. Rev. 1993; 3(5): 1–47.
  56. Львов Д.К., Ильичев В.Д. Миграция птиц и перенос возбудителей инфекции. М.: Наука; 1979.
  57. McClure H.E. Migration and survival of the birds of Asia. Bangkok; 1974.
  58. Lvov S.D. Natural virus foci in high latitudes of Eurasia. Sov. Med. Rev. Ser. E Virol. Rev. 1993; 3(5): 137–85.
  59. King A.M.Q., Adams M., Carsters E.B., Lefkowitz E., eds. Virus taxonomy: Classification and Nomenclature of Viruses. Ninth Report of the International Committee on Taxonomy of Viruses. London-Waltham, MA: Academic Press; 2012.
  60. Daszak P., Cunningham A.A., Hyatt A.D. Emerging infectious diseases of wildlife – threats to biodiversity and human health. Science. 2000; 287(5452): 443–9. https://doi.org/10.1126/science.287.5452.443
  61. Sanfaçon H., Gorbalenya A.E., Knowles N.J., Chen Y.P. Order Picornavirales. In: King A.M.Q., Adams M., Carsters E.B., Lefkowitz E., eds. Virus taxonomy: Classification and Nomenclature of Viruses. Ninth Report of the International Committee on Taxonomy of Viruses. London-Waltham, MA: Academic Press; 2012: 835–9.
  62. Lang A.S., Culley A.I., Suttle C.A. Genome sequence and characterization of a virus (HaRNAV) related to picorna-like viruses that infects the marine toxic bloom-forming alga Heterosigma akashiwo. Virology. 2003; 310: 359–71. https://doi.org/10.1016/j.virol.2003.10.015
  63. Easton A.J., Pringle C.R. Order mononegavirales. In: King A.M.Q., Adams M., Carsters E.B., Lefkowitz E., eds. Virus taxonomy: Classification and Nomenclature of Viruses. Ninth Report of the International Committee on Taxonomy of Viruses. LondonWaltham, MA: Academic Press; 2012: 653–7.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2020 Lvov D.K., Gulyukin M.I., Zaberezhniy A.D., Gulyukin A.M.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».