Genetic variation in Norwegian cervids : relevance to the occurrence of Chronic Wasting Disease (CWD)

Abstract

The etiological agents’ nature has a pivotal role in the pathogenesis of infectious diseases. Prion diseases are unique in having a misfolded protein (PrPSc) as the sole transmissible agent. The host cellular protein (PrPC) is the substrate for misfolding and aggregation by PrPSc. Variability in the prion protein gene (PRNP) encoding PrPC affects prion disease progression and susceptibility, probably by inducing changes that may alter the efficiency of a pathogenic PrPC-to-PrPSc conversion. This principle applies to Chronic Wasting Disease (CWD; MONDO_0002680), a prion disease affecting members of the family Cervidae. CWD is widely distributed in North America from where it was imported to the Republic of Korea. Identification of CWD in Norway in wild reindeer (Rangifer tarandus) in 2016 and its subsequent identification in moose (Alces alces), and red deer (Cervus elaphus) has raised questions regarding the apparent geographical expansion of this disease in Europe. One key question targets the variation in the host PRNP, an important genetic risk factor in prion disease. This thesis studies PRNP variability in Norwegian cervids, where most European cases have been identified to June 2021. The endemic Norwegian species are reindeer, red deer, moose, and roe deer (Capreolus capreolus) with reindeer managed between, semi-domestic- or wild- populations. The first cases of CWD in Europe were recorded among the Norwegian wild reindeer population in Nordfjella 1, part of the Nordfjella management area in Southern Norway, where 19 CWD cases were identified. In this population, the risk to test positive to CWD was found to be greater in adult males and this likelihood increased with age. Similarly, two PRNP genotypes were found to increase the risk of CWD development in these wild reindeer. These susceptible genotypes combine two variants of PRNP (called alleles) named 226Q and deletion_226Q. Aware of the implications further spread of CWD could have for European cervid populations, a collaboration between scientists from Great Britain, the Czech Republic and Norway allowed to analyze the spatial variation of PRNP alleles across Europe. Using red deer as a proxy to monitor such variability, significant PRNP variation between countries and subregions was observed. The CWD susceptible allele 226Q was found in all European red deer subpopulations, although at variable frequencies. Spatial variation in PRNP alleles’ distribution was also observed within Norwegian populations of reindeer, red deer, and moose, but not roe deer, which was monomorphic. All species harbored the allele 226Q, but higher frequencies were found in reindeer, red deer, and moose in certain areas. The distribution of PRNP alleles differed between wild and semi-domesticated reindeer. Alleles associated with high susceptibility to CWD were identified in >55% of wild reindeer and <20% of semi-domesticated reindeer. This may reflect the different origins of the populations and/or selection processes during domestication and breeding. Norwegian and British cervids of other species sharing a genotype (226Q/226Q) associated with an increased risk of contagious CWD, as reported in Norwegian reindeer, implies that a considerable proportion of these populations would be susceptible to CWD. Further research on the PRNP alleles identified in European cervids would be beneficial to understand their impact in animal physiology and CWD dynamics.

Ved infeksiøse sykdommer har egenskapene til agens en sentral plass i patogenesen. Unikt for prionsykdommer er at det infeksiøse agens er et protein. Vertsorganismens cellulære prion protein (PrPC) er substratet som kan endre seg og gi mulighet for opphopning av feilfoldet protein (PrPSc). Variasjon i genet, PRNP, som koder for PrPC påvirker sykdomsutvikling og mottakelighet ved prionsykdom. Sannsynlig mekanisme er at den genetiske variasjonen påvirker effektivitet i omdannelsen av PrPC til PrPSc. Dette prinsippet gjelder for Chronic Wasting Disease (CWD, også kalt skrantesjuke; MONDO_0002680). Dette er en prionsykdom som rammer dyr i hjortedyrfamilien. CWD er vidt utbredt i Nord-Amerika, og ble eksportert med livdyr fra Canada til Sør-Korea. Påvisningen av CWD hos norsk villrein (Rangifer tarandus) i 2016, med etterfølgende funn hos elg (Alces alces) og hjort (Cervus elaphus), har reist spørsmål om geografisk spredning av sykdommen i Europa. En viktig risikofaktor vil være variasjonen i PRNP hos bestandene som utsettes for denne prionsykdommen. Denne doktorgraden studerer variasjon i PRNP hos norske hjortedyr, som er de bestandene i Europa der flest tilfeller av sykdommen er påvist fram til juni 2021. Norge har ville bestander av reinsdyr, hjort, elg og rådyr (Capreolus capreolus). I tillegg er det også tamreindrift som er organisert i ulike reinbeitedistrikter. Den første påvisningen av CWD i Europa ble gjort hos en villrein i Nordfjella villreinområde (Nordfjella sone 1). Totalt ble det avdekket 19 tilfeller i denne bestanden. I dette studiet ble det identifisert en forhøyet CWD-risiko for voksen bukk, en risiko som økte med økende alder. Det ble også avdekket to PRNP genotyper som ga økt risiko for CWD. Disse genotypene er en kombinasjon av to varianter av PRNP (såkalte alleler) som er gitt betegnelsene 226Q og deletion_226Q. For bedre å forstå spredingspotensialet av CWD til hjortedyrbeatanden i Europa, ble det inngått et samarbeid mellom forskere fra Storbritannia, Tsjekkia og Norge. Samarbeidet ga mulighet til å undersøke romlig fordeling av PRNP-alleler i Europa. Ved bruk av hjort som modell ble det avdekket signifikant variasjon mellom land og regioner. Allel 226Q, som hos villrein er identifisert som et risikoallel, ble funnet i alle europeiske hjortebestander, dog i ulike frekvenser. Romlig fordeling av PRNP-alleler ble også observert hos norsk reinsdyr, hjort og elg, men ikke hos rådyr som var uten PRNP variasjon. Alle arter hadde allele 226Q med betydelig geografiske variasjoner hos reinsdyr, hjort og elg. Fordelingen av PRNP- alleler var ulik mellom villrein og tamrein, og alleler definert med høy CWD risiko opptrådte i >55 % av undersøkte villrein mot <20 % i tamrein. Dette mønsteret kan gjenspeile ulik opprinnelse av bestandene og/eller seleksjonsprosesser knyttet til domestisering og avl. PRNP variasjonen hos norske og britiske hjortedyr, som deler risiko-genotypen for smittsom CWD hos reinsdyr (226Q/226Q), antyder at store deler av bestandene vil være mottagelige for sykdommen. For å bedre forstå betydningen av de avdekkede PRNP-variantene i Europa, og deres virkning på sykdomsdynamikk og dyrenes fysiologi, kreves ytterligere undersøkelser og forskning.