Genetic and Pathogenic Characteristics of a PRRS Virus LKC (L1J) and Antiviral Effect of CLEVir-X = 돼지 생식기 호흡기 증후군 바이러스 LKC (L1J)의 유전 및 병원성 특성과 CLEVir-X의 항바이러스 효과

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Porcine reproductive and respiratory syndrome (PRRS) is one of the most economically devastating infectious diseases affecting the global swine industry. It is characterized by reproductive failure in pregnant sows and respiratory disorders in pigs of all ages. Among PRRSV type 2 strains, lineage Korean C (LKC)—recently reclassified as lineage 1J (L1J)—was first identified in South Korea in 2005. LKC strains are defined by ORF5 sequence classification and a discontinuous 131-amino acid deletion in Nsp2, generally associated with low to moderate pathogenicity. However, recent field outbreaks have raised concerns, as some cases showed severe outcomes despite not involving known virulent strains like NADC34-like viruses.
To address these outcomes, this study investigates the pathogenic and genomic features of SNUVR220803, a PRRSV isolate from a severe 2022 outbreak in Gyeongsang Province, South Korea. The affected farm experienced late-term abortions and high piglet mortality. ORF5-based analysis classified SNUVR220803 as LKC (L1J), but whole genome sequencing and recombination analysis revealed it as a recombinant virus with segments from the LKC strain K07-2273 (major parent) and the vaccine strain Ingelvac PRRS MLV (Lineage 5, minor parent), with recombination detected in ORF1a and ORF1b. SNUVR220803 also harbors a unique 4-amino acid deletion in the Nsp2 hypervariable region.
In an inoculation experiment with weaned piglets, SNUVR220803 induced hyperthermia (> 40.3°C), respiratory distress, and mortality > 50%. Affected piglets showed cyanosis, nasal discharge, and weight loss. Immunohistochemistry confirmed PRRSV N protein in alveolar macrophages, lymphoid tissues, renal and cardiac macrophages, and cerebral leukocytes. Cytokine profiling showed elevated IFN-α at 4 dpi, IL-10 at 7 dpi, and TNF-α peaking at 10 dpi indicating dysregulated immune responses.
SNUVR220803 also showed strong reproductive pathogenicity. All four pregnant gilts infected with the virus aborted between 109 and 112 days of gestation. Most fetuses were stillborn with lesions including pulmonary edema, thymic depletion, and cardiac lymphocyte infiltration. Cytokine analysis in gilts showed elevated TNF-α and IL-1β from 9 dpi.
These results indicate that SNUVR220803 is a highly virulent recombinant PRRSV strain with unique genetic and phenotypic features distinguishing it from other LKC strains. Recombination between modified live vaccines and wild strains and reversion to virulence, as in SNUVR220803, raise concern, suggesting direct antiviral treatment as an option. CLEVir-X, a nucleoside analogue and a dialdehyde form of xanthosine, is engineered for targeting inosine monophosphate dehydrogenase (IMPDH) inhibition.
In vitro, CLEVir-X reduced PRRSV infection in MARC-145 cells infected with SNUVR090851 in a dose-dependent manner up to 200 μM. Its effect was negated by guanosine supplementation, implicating guanosine synthesis inhibition. ORF6 mutagenesis was elevated in CLEVir-X–treated cells, suggesting a secondary mechanism by which the compound induces mutations that impair viral replication.
In vivo, 24 PRRSV-negative piglets were tested for CLEVir-X efficacy. CLEVir-X (68% purity, 40 mg/kg BW) was administered twice daily for 14 days. SNUVR090851-infected groups, including CLEVir-X-treated pigs, were inoculated intranasally on treatment day 0. CLEVir-X reduced viremia, fever, and interstitial pneumonia severity in the PRRSV infected groups.
These findings support combining MLV vaccines and antivirals for PRRSV control. Highly virulent strains like SNUVR220803 challenge genotype-based predictions, while CLEVir-X shows promise as a complementary therapeutic strategy targeting viral replication and host metabolism.

국문 초록 (Abstract)

돼지 생식기 호흡기 증후군(Porcine reproductive and respiratory syndrome, PRRS)은 막대한 경제적 손실을 초래하는 감염병으로, 유사산 및 전 연령대 돼지의 호흡기 증상을 임상 특징으로 한다. Lineage Korean C (LKC, 2023년 L1J로 재분류)는 PRRSV-2의 일종으로, Nsp2 영역의 131 아미노산 결실을 특징으로 하고, 기존 CA-2 등 대표 독주는 실험적 감염에서는 경증에서 중등도의 병원성을 보이는 것으로 보고되었다. 그러나2022년 경상도 한 농장의 사례는 알려진 고독성 PRRSV 감염으로 진단되지 않았음에도 불구하고, 높은 폐사율과 광범위한 폐렴, 번식장애의 심각한 임상 증상을 보였다.
해당 농장의 육성돈으로부터 분리한 PRRSV SNUVR220803독주에 대해 유전분석과 병원성 실험을 진행하였다. ORF5 서열 기반 계통 분석 결과 이 독주는 LKC로 분류되었으나, 전장 유전체 분석에서는ORF1a와 ORF1b 영역에서 재조합이 확인되었다. 주요 부모주는 LKC 계열의 K07-2273 독주로, 부 부모주는 백신주 Ingelvac MLV (Lineage 5)로 추정되었다. 특히 Nsp2에서는 기존 LKC 독주와 다르게 고변이 영역의 4개의 아미노산이 추가적으로 결실되었다.
자돈 감염시험 결과, 감염 자돈들은 고열(>40°C), 40% 이상의 폐사율, 복부 청색증, 비강 분비물 등의 임상 증상을 나타냈으며, 체중 감소는 감염 후 5일까지 지속되었다. PRRSV N 단백질에 대한 면역조직화학염색 결과, 폐, 심장, 흉선, 림프절, 대뇌 혈관의 백혈구, 신장에서 항원양성이 관찰되었다.
자돈 혈장 사이토카인 분석에서는 4 dpi 시점에서 IFN-α 급증과 7 dpi의 IL-10 상승, 그리고 TNF-α의 10 dpi의 지연 상승이 관찰되었다. 본 독주에서는 감염 중기와 후기 IL-10 감소와 함께 TNF-α의 상승이 유도된 것으로 해석된다. 초기 IFN-α 상승은 숙주의 항바이러스 반응을 반영하지만, 과도한 IFN-α 반응은 불량한 예후와 관련될 수 있음을 보여준다.
또한, 본 독주는 번식기계에서도 높은 병원성을 나타냈다. 임신 모돈 8두 중 4두에 감염시험을 실시한 결과, 모든 감염 모돈에서 고열과 경증의 호흡기 증상이 나타났으며, 임신 109–112일 사이 전두 유산되었다. 사산된 태자에서는 간질성 폐렴, 흉선 위축, 심근의 림프구 침윤이 관찰되었고, 감염 모돈에서도 감염 중기(9–18 dpi)부터 IL-1β와 TNF-α의 유의미한 상승이 관찰되었으며, IL-10의 평균값은 감염 후 3에서 18일까지 통계적으로 유의미하진 않으나 대조군보다 2배 이상 높은 평균 수준을 유지하였다.
본 연구 결과, SNUVR220803 독주는 기존의 LKC 계열과 유전적 특성에서 분명한 차이를 보이며, 고병원성을 나타냄을 확인했다. 특히 ORF5 기반 계통분석만으로는 재조합 및 돌연변이로 인한 병원성 변화를 충분히 설명하기 어렵다는 점을 제기한다. SNUVR220803이 두 모체 바이러스보다 병원성이 강한 점은 야외주와 백신주 간의 재조합 위험성을 강조하며 이에 따른 생독백신의 한계를 보완하기 위해 바이러스 증식을 직접 억제하는 항바이러스제를 평가하고자 하였다.
CLEVir-X는 xanthosine의 dialdehyde 형태로, 숙주의 inosine monophosphate dehydrogenase를 저해하는 핵산 유사체이다. LKC 계통의 SNUVR090851 독주를 대상으로 한 실험실 내 및 돼지 동물실험을 통해 CLEVir-X의 항바이러스 활성을 평가하였다. 세포 실험 결과, CLEVir-X의 농도가 증가함에 따라 PRRSV 감염세포 비율이 농도 의존적으로 감소하였으며, 외부에서 구아노신을 보충한 경우 그 항바이러스 효과가 상실되어 CLEVir-X가 구아노신 결핍을 통해 바이러스 증식을 억제함을 확인하였다. 또한, CLEVir-X 처리 조건에서 SNU090851의 ORF6 영역의 돌연변이 빈도가 증가하였으며, PRRSV 감염력을 저해하는 변이를 증가시킴을 확인하였다.
생체 내 실험에서는 3주령 자돈 24두를 대상으로 CLEVir-X의 항바이러스 효능을 검증하였다. CLEVir-X는 체중당 40mg/kg의 용량으로 14일간 하루 2회 경구 투여되었으며, SNUVR090851 독주가 비강 접종된 군에서 PRRSV 바이러스 혈증 및 직장 체온이 CLEVir-X 비처리 양성대조군에 비하여 유의하게 감소하였다. 폐의 간질성 병변 또한 비처리군에 비해 경감된 양상을 보였다.
본 연구는 생독백신의 한계를 극복할 수 있는 보완 전략으로, CLEVir-X와 같은 직접 작용 항바이러스제의 가능성을 시사한다. 특히 바이러스 복제기전 및 숙주 대사경로를 표적으로 하는 항바이러스제는 SNUVR220803과 같은 고독성 재조합 PRRSV 뿐만 아니라, 대부분의 PRRSV의 유전적 다양성과 백신 회피를 극복하는데 중요하며, 향후 PRRSV 방제를 위한 생독백신과의 이중 경로 전략(dual-path strategy)의 필요성을 부각한다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT ⅰ
• TABLE OF CONTENTS iv
• LIST OF TABLES vii
• LIST OF FIGURES viii
• LIST OF ABBREVIATIONS x
• GENERAL INTRODUCTION 1
• LITERATURE REVIEW 4
• History, transmission, and phylogenetic classification of PRRSV 4
• Tropsim of PRRSV 7
• Genetic characterization of PRRSV 8
• Molecular and structural characterization of PRRSV 10
• Clinical signs of PRRS 13
• Diagnosis of PRRS 13
• Macroscopic pathologic characteristics of PRRS 14
• Microscopic pathologic characteristics of PRRS 15
• Pathogenesis of PRRS 16
• Immunogenicity of PRRSV 17
• Immune evasion mechanisms of PRRSV 18
• Vaccine strategy of PRRS 23
• CHAPTER Ⅰ Genetic Characterization and Respiratory Pathology of a Recombinant PRRSV Lineage Korean C (L1J) 25
• Abstract 26
• Introduction 28
• Material and Methods 30
• Results 45
• Discussion 75
• CHAPTER Ⅱ Reproductive Pathogenic Characteristics of the Recombinant PRRSV Lineage Korean C (L1J) 80
• Abstract 81
• Introduction 82
• Material and Methods 84
• Results 88
• Discussion 108
• CHAPTER Ⅲ Antiviral Effect of CLEVir-X Against a PRRSV Lineage Korean C (L1J) Strain In Vitro and In Vivo 113
• Abstract 114
• Introduction 116
• Material and Methods 118
• Results 125
• Discussion 138
• GENERAL DISCUSSION 140
• GENERAL CONCLUSION 144
• BIBLIOGRAPHY 148
• ABSTRACT IN KOREAN 191