Phylogenetic characterization of norovirus strains detected from acute gastroenteritis in Seoul

Abstract

BACKGROUND: Phylogenetic analysis of Norovirus (NoV) is efficient for tracking NoV transmission. To determine the widespread NoV strains in Seoul, we conducted an extensive phylogenetic characterization of NoV-positives from 1,659 diarrheal specimens collected in 2014-2016 for the Seoul NoV-surveillance. RESULTS: The large numbers of NoV partial VP1 genome sequences were analyzed in acute gastroenteritis (AGE) patients along with the phylogenetic characterization of all detected genotype ranges. We could identify molecular epidemiologic patterns based on the genetic characteristics of sporadic NoV strains circulating in Seoul, which could provide a detailed description of the genome-wide and community-wide NoV evolution in each genotype. The average NoV detection rate in our study period was 16.34% that was increased by 7.44% from 13.17% in 2014 to 20.61% in 2016. Detection rate of NoV GI and GII was 4.43% and 93.36%, respectively, and the GII.4, GII.17, and GII.3 were the major type among 17 genotypes of NoV. The most dominant one was GII.4 (50.92%) that was followed by GII.17 (18.08%) and GII.3 (9.96%). According to an extensive phylogenetic analysis based on partial VP1 sequences of 1,008 NoV (276 sporadic, 518 outbreak and 214 reference), pandemic strains of GII.17, GII.4 and GII.3 have emerged in succession during the 2014-2016 Seoul NoV-surveillance. GII.17 emerged as GII.17|Kawasaki323 in 2014, and became the predominant genotype in 2015 with GII.17|2014_Kawasaki lineages (CUHKNS-616/Kawasaki308). The formerly predominant GII.4 remained high-level with GII.4|2012_Sydney in 2014 and internally replaced to GII.4|2016_Kawasaki194 lineage (NOR-2565/NOR-2558/OH16002) that caused the sporadic NoV explosion since December 2015. Sporadically dominant GII.3|Hu/Aichio334-13/2013 failed to develop any outbreaks, whereas sporadic GII.3|Hu/3-28/2015/HNZZ/CHN caused heavy outbreaks in Seoul without preparation time since November 2016. CONCLUSIONS: This is the first extensive phylogenetic study revealing the important events of NoV strains circulating in Seoul. Particularly, our study period from 2014 to 2016 was very dynamic with the emergences of the three main NoV strains (GII.17|2014_Kawasaki, GII.4|2016_Kawasaki194 and GII.3|Hu/3-28/2015/HNZZ/CHN) every year. We are sure that it is hard to detect above findings by simple conventional analysis. Our present study reports a future paradigm of the NoV molecular epidemiology, which might be highly valuable to track new strains and predict oncoming outbreaks.

연구 배경: 노로바이러스의 계통학적 분석은 감염경로를 추적하는데 가장 효율적인 방법으로 바이러스의 분자역학 연구에 널리 쓰이고 있다. 서울에서 산발적으로 위장관염을 일으키는 노로바이러스 strain들의 분자 역학적 특성을 확인하기 위해, 2014-2016년 동안 서울지역 관내 국가감시사업 병원을 통해 수집 된 1,659개의 설사 분변 가검물 중 노로바이러스 양성 검체를 대상으로 계통분석을 수행하였다.

결과: 다수의 급성위장관염 환자로부터 분리한 노로바이러스 유전체의 부분적 VP1 염기서열을 출현한 모든 유전자형을 대상으로 계통도를 그려 유전적 특성을 계통분석법으로 비교〮분석함으로써 서울에서 유행하는 노로바이러스 strain들의 분자 역학적 패턴을 규명하였다. 이로써 주요 노로바이러스 strain들이 genome 차원에서 진화하여 지역사회에 유행을 일으키는 역학적 기전에 대한 보다 자세한 정보를 제공하였다. 2014년부터 2017년까지의 3년간 노로바이러스의 평균 검출률은 16.34%로 2014년 13.17%에서 2016년 20.61%로 7.44% 증가하였다. 노로바이러스 유전자형 중 GI와 GII의 분포는 각각 4.43%와 93.36%로 대부분이 GII 유전자형이었다. 발견된 17 가지 노로바이러스 유전자형 중 GII.4, GII.17 및 GII.3가 주요 유전자형으로 GII.4 유전자형 (50.92%)이 가장 많았고, 다음으로 GII.17 유전자형 (18.08%)과 GII.3 유전자형 (9.96%) 순이었다. 1,008개의 노로바이러스 염기서열 (감시사업주 276개, 집단발생주 518개 및 NCBI GenBank에 등록된 기존 분리주 214개)의 부분 VP1에 기초한 계통분석 결과, 2014-2016년 서울시 노로바이러스 감시사업 동안 GII.17, GII.4 및 GII.3 유전자형의 유행 strain이 연속적으로 나타났음을 밝혔다. GII.17 유전자형은 2014년 GII.17|Kawasaki323 strain으로 처음 발견된 후로 GII.17|2014_Kawasaki 계통 strain들 (CUHK-NS-616/Kawasaki308)이 2015년에 가장 많이 검출되었다. GII.4 유전자형 내에서의 주요 strain들은 2014년에 가장 많이 검출되었던 GII.4|2012_Sydney strain에서 2015년 12월 이후 산발적으로 노로바이러스 유행을 일으킨 GII.4|2016_Kawasaki194 계통 strain들 (NOR-2565/NOR-2558/OH16002)로 대체되었다. GII.3|Hu/3-28/2015/HNZZ/CHN strain은 2016년 11월부터 유행조짐 없이 서울시에서 대규모의 집단발생을 일으켰지만, 서울시 노로바이러스 감시사업에서 산발적으로 유행한 GII.3|Hu/Aichio334-13/2013 strain은 집단 발생으로 진행되지 못했음을 확인하였다. 결론: 본 연구는 서울에서 산발적으로 유행하는 노로바이러스 strain들의 주요 사건을 밝혀낸 최초의 광범위한 계통 분석 연구로 중요하다. 특히, 2014년부터 2016년까지의 본 연구 기간은 3 개의 주요한 노로바이러스 strain들 (GII.17|2014_Kawasaki, GII.4|2016_ Kawasaki194 및 GII.3|Hu/3-28/2015/HNZZ/CHN)이 매년 역동적으로 출현하여 유행하는 양상을 보여 매우 의미 있는 시기였다. 과거의 단순한 노로바이러스 유전자형 분석으로는 발견하기 힘든 상기의 성과는 새롭게 시도한 부분 VP1에 기초한 광범위한 계통분석으로 가능하였으며, 이로써 새로운 노로바이러스 변이를 추적하고 다가오는 유행을 예측하는 데 매우 가치 있는 분자 역학적 접근법의 패러다임을 제시하였다.