Viral genomics by next-generation sequencing – investigating intra-host genomic events in human papillomavirus and improving intra-hospital outbreak investigations of SARS-CoV-2

Abstract

Human Papillomaviruses (HPVs) are one of the oldest human pathogens and the most common sexually transmitted pathogenic infection worldwide. Most HPV infections are cleared by the immune system, but some infections persist and can progress to HPV-induced cancer. Almost all cervical cancer cases are caused by persistent infections with high-risk HPVs, affecting more than 500.000 women worldwide and causing more than 250.000 deaths per year. Compared to HPVs, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is one of the most novel human pathogens, making the jump to human populations late in 2019. Since then, SARS-CoV-2 have spread globally and caused the deaths of more than six million people. While the histories of these viruses differ substantially, they have in common their immense impact on global health. One of the most important tools at our disposal to defend ourselves against viral pathogens is next-generation sequencing (NGS). NGS allows us to investigate genomic events affecting intra-host viral populations found within infected persons and how they contribute to disease severity. It also allows for the rapid retrieval of viral genomic information that can be used to understand and track transmissions of pathogens. In this thesis, NGS is applied to cervical cell samples positive for high-risk HPVs to study how viral intra-host genomic events can contribute to infection persistence and progression to cervical cancer. In total, five high-risk HPV types responsible for ~90% of all cervical cancer cases are investigated with a focus on intra-host minor nucleotide variation (MNV) and integration into human chromosomes. The results show differences between the HPV types, and that these differences extend to the closely related HPV types. Overall, the studies shed light on molecular differences between the HPV types that can reflect type-specific mechanistic routes of HPV-induced cancers, while also presenting much needed knowledge of the lesser studied high-risk HPV types. Additionally, NGS was applied to SARS-CoV-2 positive samples from healthcare workers and patients from Akershus University Hospital to increase the resolution of outbreak investigations. When genomic information was used in combination with contact tracing data, one suspected intra-hospital outbreak was refuted, and another potential outbreak was discovered. The study shows the benefit of including viral whole genome sequencing data when doing outbreak investigations. The thesis highlights the power of NGS to understand viral pathogens, be it viruses we have had a shared history with since time immemorial or novel viruses we only recently encountered.

Humant papillomavirus (HPV) er en av de eldste sykdomsfremkallende virus hos mennesker og verdens vanligste seksuelt overførbare infeksjon som forårsaker sykdom. De fleste HPVinfeksjoner blir klarert av immunforsvaret, men et fåtall blir persistente og kan føre til HPVindusert kreft. Nesten alle tilfeller av livmorhalskreft skyldes persistente HPV-infeksjoner, noe påvirker mer enn 500.000 kvinner globalt og fører til mer enn 250.000 dødsfall årlig. På den annen side ble severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) introdusert til menneskelige populasjoner sent 2019, og er med det en av de nyeste sykdomsfremkallende virusene. Siden da har SARS-CoV-2 spredt seg globalt og forårsaket mer enn seks millioner dødsfall. Disse virusene har vidt forskjellige historier som sykdomsfremkallende virus hos mennesker, men de har til felles deres enorme byrde på den globale helsen. Et av våre viktigste verktøy for å beskytte oss mot patogene virus er neste generasjons-sekvenseringsteknologi (NGS). NGS lar oss undersøke genomiske hendelser som påvirker virale populasjoner innad i infiserte individer og hvordan disse påvirker forløp og alvorlighetsgrad av infeksjonene. Det lar oss også raskt tilegne oss kunnskap om de virale genomene og deres tendens til endring som kan brukes til å spore virussmitte. I denne avhandlingen brukes NGS på livmorshalsprøver positive for høyrisiko HPV for å studere disse genomiske hendelsene innad i en vert og hvordan dette kan bidra til persistens og utvikling av livmorhalskreft. Totalt fem høyrisiko HPV-typer som til sammen forårsaker ~90% av alle tilfeller av livmorhalskreft har blitt undersøkt med et fokus på lavforekomstmutasjoner og integrasjoner i menneskekromosomer i enkeltindivider. Resultatene viser at det er forskjeller mellom HPV-typene og at disse forskjellene er konservert mellom nært beslektede HPV-typer. Studiene kaster lys over molekylære forskjeller mellom HPV-typene som kan reflektere typespesifikke mekanistiske veier mot å utvikle livmorhalskreft, og presenterer også ny kunnskap om mindre studerte høyrisiko HPV-typer. I tillegg ble NGS brukt på SARS-CoV-2 positive prøver fra helsearbeidere og pasienter fra Akershus Universitetssykehus for å øke oppløsningen på utbruddsoppklaring. Når genomisk informasjon fra viruset ble brukt i kombinasjon med tradisjonell smittesporing. Av fem mistenkte utbrudd ble et utbrudd avkreftet, og et helt nytt mulig utbrudd ble oppdaget. Studiet viser fordelene ved å inkludere viral helgenomsekvensering når man gjør utbruddsoppklaring. Avhandlingen fremhever hvor kraftig NGS er som verktøy for å forstå patogene virus, enten det er virus vi har delt historie med siden urtiden eller helt nye virus vi aldri har møtt før.