Molecular basis oh herpes simplex virus entry into the cell and retargeting of the viral tropism for the design of oncolytic herpesviruses

Herpes simplex virus 1 (HSV-1) infects oral epitelial cells, then spreads to the nerve endings and estabilishes latency in sensory ganglia, from where it may, or may not reactivate. Diseases caused by virus reactivation include mild diseases such as muco-cutaneous lesions, and more severe, and even life-threatening encephalitis, or systemic infections affecting diverse organs. Herpes simplex virus represents the most comprehensive example of virus receptor interaction in Herpesviridae family, and the prototype virus encoding multipartite entry genes. In fact, it encodes 11-12 glycoproteins and a number of additional membrane proteins: five of these proteins play key roles in virus entry into subsceptible cells. Thus, glycoprotein B (gB) and glycoprotein C (gC) interact with heparan sulfate proteoglycan to enable initial attachment to cell surfaces. In the next step, in the entry cascade, gD binds a specific surface receptor such as nectin1 or HVEM. The interaction of glycoprotein D with the receptor alters the conformation of gD to enable the activation of gB, glycoprotein H, and glycoprotein L, a trio of glycoproteins that execute the fusion of the viral envelope with the plasma membrane. In this thesis, I described two distinct projects: I. The retargeting of viral tropism for the design of oncolytic Herpesviruses: • capable of infecting cells through the human epitelial growth factor receptor 2 (HER2), overexpressed in highly malignant mammary and ovarian tumors and correlates with a poor prognosis; • detargeted from its natural receptors, HVEM and nectin1. To this end, we inserted a ligand to HER2 in gD. Because HER2 has no natural ligand, the selected ligand was a single chain antibody (scFv) derived from MAb4D5 (monoclonal antibody to HER2), herein designated scHER2. All recombinant viruses were targeted to HER2 receptor, but only two viruses (R-LM113 and R-LM249) were completely detargeted from HVEM and nectin1. To engineer R-LM113, we removed a large portion at the N-terminus of gD (from aa 6 to aa 38) and inserted scHER2 sequence plus 9-aa serine-glycine flexible linker at position 39. On the other hand, to engineer R-LM249, we replaced the Ig-folded core of gD (from aa 61 to aa 218) with scHER2 flanked by Ser-Gly linkers. In summary, these results provide evidence that: i. gD can tolerate an insert almost as big as gD itself; ii. the Ig-like domain of gD can be removed; iii. the large portion at the N-terminus of gD (from aa 6 to aa 38) can be removed without loss of key function; iv. R-LM113 and R-LM249 recombinants are ready to be assayed in animal models of mammary and ovary tumour. This finding and the avaibility of a large number of scFv greatly increase the collection of potential receptors to which HSV can be redirected. II. The production and purification of recombinant truncated form of the heterodimer gHgL. We cloned a stable insect cell line expressing a soluble form of gH in complex with gL under the control of a metalloprotein inducible promoter and purified the heterodimer by means of ONE-STrEP-tag system by IBA. With respect to biological function, the purified heterodimer is capable: • of reacting to antibodies that recognize conformation dependent epitopes and neutralize virion infectivity; • of binding a variety cells at cell surface. No doubt, the availability of biological active purified gHgL heterodimer, in sufficient quantities, will speed up the efforts to solve its crystal structure and makes it feasible to identify more clearly whether gHgL has a cellular partner, and what is the role of this interaction on virus entry.

Studio della Peste dei Piccoli Ruminanti nei territori saharawi

La Peste dei Piccoli Ruminanti (PPR) è una patologia virale ed acuta che colpisce i piccoli ruminanti, diffusa in Africa Sub-Sahariana, in Medio Oriente ed in Asia Meridionale. Questo lavoro si propone di effettuare il primo studio epidemiologico sulla PPR nella Repubblica Araba Saharawi Democratica (RASD), che comprende i Campi Profughi Saharawi, in territorio algerino, ed i “Territori Liberati” del Sahara Occidentale, valutando la potenziale presenza, prevalenza e distribuzione del virus della PPR in questi territori. Lo studio si è basato su una metodica di campionamento “a cluster” secondo la tecnica “a due stadi”. Sono stati individuati 23 siti di campionamento dai quali sono stati raccolti un totale di 976 campioni di siero prelevati da pecore, capre e cammelli. I campioni sono stati prelevati in Marzo ed Aprile 2008. I risultati dei test Competitive-Elisa hanno evidenziato una sieroprevalenza nel 28,26% degli animali testati, benché durante la raccolta dei campioni nessun animale abbia presentato sintomi clinici riferibili alla PPR. Tra Gennaio e Maggio 2010, in seguito ad episodi di aumentata mortalità nella popolazione ovi-caprina presente nei Campi Profughi, le autorità veterinarie locali sospettarono un outbreak di PPR. Tra Maggio ed Ottobre 2010 è stato sviluppato un outbreak investigation nei Campi Profughi Saharawi con lo scopo di confermare la circolazione del PPRV. I risultati di laboratorio hanno confermato la presenza del virus nel 33,33% dei campioni. Il sequenziamento del genoma virale ha rivelato che il virus apparteneva al Lignaggio 4 e le analisi filogenetiche hanno indicato una stretta relazione (99.3%) con il PPRV isolato durante l'epidemia di PPR in Marocco del 2008.

Human papillomavirus (HPV) and associated diseases: between applied diagnostic and basic research

Human Papillomavirus (HPV) is the cause of cervical cancers (among these, adenocarcinoma, AdCa) and is associated to a subgroup of oropharyngeal carcinomas (OPSCCs). Even if the risk for cancer development is linked to the infection by some viral genotypes, mainly HPV16 and 18, viral DNA alone seems not to be sufficient for diagnosis. Moreover, the role of the virus in OPSCCs has not been totally clarified yet. In the first part of the thesis, the performances concerning viral genotyping in clinical cervical samples of a new pyrosequencing-based test and a well-known hybridization-based assay have been compared. Similar results between the methods have been obtained. However, the former showed advantages in detecting intratype variants, higher specificity and a broader spectrum of detectable HPV types. The second part deals with the evaluation of virological markers (genotyping, viral oncoproteins expression, viral load, physical state and CpG methylation of HPV16 genome) in the diagnosis/prognosis of cervical AdCa and HPV-associated OPSCCs. HPV16 has been confirmed the most prevalent genotype in both the populations. Interestingly, the mean methylation frequency of viral DNA at the early promoter showed the tendency to be associated to invasion for cervical AdCa and to a worse prognosis for OPSCCs, suggesting a promising role as diagnostic/prognostic biomarker. The experiments of the third part were performed at the DKFZ in Heidelberg (Germany) and dealt with the analysis of the response to IFN-k transfection in HPV16-positive cervical cancer and head&neck carcinoma cell lines to evaluate its potential role as new treatment. After 24h, we observed increased IFN-b expression which lead to the up-regulation of genes involved in the antigens presentation pathway (MHC class I and immunoproteasome) and antiviral response as well, in particular in cervical cancer cell lines. This fact suggested also the presence of different HPV-mediated carcinogenic pathways between the two anatomical districts.

Virus oncogeni a dna in tumori umani: studio delle infezioni da papillomavirus e poliomavirus in neoplasie di diversa origine.

I virus tumorali inducono oncogenesi nel loro ospite naturale o in sistemi animali sperimentali, manipolando diverse vie cellulari. Ad oggi, sono stati identificati sette virus capaci di causare specifici tumori umani. Inoltre HPV, JCV ed SV40, sono stati associati con un grande numero di tumori umani in sedi corporee non convenzionali, ma, nonostante molti anni di ricerca, nessuna eziologia virale è stata ancora confermata. Lo scopo di questo studio è stato di valutare la presenza ed il significato sia di JCV ed SV40 in tumori ossei umani, e di HPV nel carcinoma della mammella (BC), galattoforectomie (GF), secrezioni mammarie patologiche (ND) e glioblastoma multiforme (GBM). Tecniche di biologia molecolare sono state impiegate per esaminare campioni di tessuto tumorale di 70 tumori ossei (20 osteosarcomi [OS], 20 tumori a cellule giganti [TCG], 30 condrosarcomi [CS]), 168 BCs , 30 GFs, 59 GBM e 30 campioni di ND. Il genoma di SV40 e JCV è stato trovato nel 70% dei CS + 20% degli OS, e nel 13% dei CS +10% dei TCG, rispettivamente. Il DNA di HPV è stato rilevato nel 30% dei pazienti con BC, nel 27% dei campioni GF e nel 13% dei NDs. HPV16 è stato il genotipo maggiormente osservato in tutti questi campioni, seguito da HPV18 e HPV35. Inoltre, il DNA di HPV è stato trovato nel 22% dei pazienti con GBM, in questo tumore HPV6 era il tipo più frequentemente rilevato, seguito da HPV16. L’ ISH ha mostrato che il DNA di HPV è situato all’interno di cellule tumorali mammarie e di GBM. I nostri risultati suggeriscono un possibile ruolo di JCV, SV40 e HPV in questi tumori, se non come induttori come promotori del processo neoplastico, tuttavia diversi criteri devono ancora essere soddisfatti prima di chiarirne il ruolo.

Meccanismi replicativi e di regolazione dell'espressione genica di Parvovirus B19

Il Parvovirus B19, virus patogeno umano della famiglia Parvoviridae, mostra uno specifico tropismo per i precursori eritroidi e una limitata replicazione in alcune linee cellulari megacarioblastoidi. Allo scopo di sviluppare sistemi utili allo studio delle caratteristiche biologiche del virus, diversi laboratori si sono occupati della costruzione di cloni genomici di B19 dotati di competenza funzionale e capaci di generare virus infettante. Parte del presente lavoro ha riguardato l’analisi funzionale di diversi cloni genomici di B19 e ha permesso di caratterizzare le regioni terminali del virus e di identificare requisiti essenziali per la loro funzionalità. Nel contesto intracellulare, esistono differenti livelli di restrizione in relazione alla capacità della cellula di supportare la replicazione virale, non ancora del tutto caratterizzati. Inoltre si sono accumulate evidenze circa la capacità del B19 di instaurare persistenza in numerosi tessuti. Non sono ancora note le caratteristiche funzionali del genoma virale in questo stato, è possibile che il virus persista in forma silente e meccanismi epigenetici possano regolare tale silenziamento. In questo studio è stato analizzato lo stato di metilazione del genoma di B19 e il suo possibile effetto sul ciclo replicativo virale ed è stata investigata la possibile associazione del DNA virale agli istoni cellulari nel corso di infezione in vitro. I risultati ottenuti confermano la presenza di questi meccanismi epigenetici, potendo ipotizzare che giochino un importante ruolo nella regolazione della funzionalità virale e nell’interazione B19-cellula e siano un elemento critico per l’adattamento del virus nell’ambiente in cui si trova. Inoltre l’ipotesi che anche i microRNA possano assumere un importante significato nell’interazione B19-cellula è stata proposta da diversi lavori e nel presente studio è stata valutata la produzione di queste piccole molecole durante l'infezione in vitro, ricercando microRNA (cellulari e/o virali) con omologia di sequenza per il genoma di B19 e quindi specifici per il virus.

Studio della patogenesi di HIV-1 nel compartimento osseo: effetti della terapia antiretrovirale convenzionale e nuovi approcci all'eradicazione

L’obiettivo della tesi è studiare il virus HIV-1 in relazione alle alterazioni sistemiche, riscontrate nel paziente HIV-infetto, in particolare alterazioni a carico del sistema scheletrico, indotte dal virus o dall’azione dei farmaci utilizzati nella terapia antiretrovirale (HAART). L’incidenza dell’osteoporosi nei pazienti HIV-positivi è drammaticamente elevata rispetto alla popolazione sana. Studi clinici hanno evidenziato come alcuni farmaci, ad esempio inibitori della proteasi virale, portino alla compromissione dell’omeostasi ossea, con aumento del rischio fratturativo. Il nostro studio prevede un follow-up di 12 mesi dall’inizio della HAART in una coorte di pazienti naïve, monitorando diversi markers ossei. I risultati ottenuti mostrano un incremento dei markers metabolici del turnover osseo, confermando l’impatto della HAART sull’omeostasi ossea. Successivamente abbiamo focalizzato la nostra attenzione sugli osteoblasti, il citotipo che regola la sintesi di nuova matrice ossea. Gli esperimenti condotti sulla linea HOBIT mettono in evidenza come il trattamento, in particolare con inibitori della proteasi, porti ad apoptosi nel caso in cui vi sia una concentrazione di farmaco maggiore di quella fisiologica. Tuttavia, anche concentrazioni fisiologiche di farmaci possono regolare negativamente alcuni marker ossei, come ALP e osteocalcina. Infine esiste la problematica dell’eradicazione di HIV-1 dai reservoirs virali. La HAART riesce a controllare i livelli viremici, ciononostante diversi studi propongono alcuni citotipi come potenziali reservoir di infezione, vanificando l’effetto della terapia. Abbiamo, perciò, sviluppato un nuovo approccio molecolare all’eradicazione: sfruttare l’enzima virale integrasi per riconoscere in modo selettivo le sequenze LTR virali per colpire il virus integrato. Fondendo integrasi e l’endonucleasi FokI, abbiamo generato diversi cloni. Questi sono stati transfettati stabilmente in cellule Jurkat, suscettibili all’infezione. Una volta infettate, abbiamo ottenuto una significativa riduzione dei markers di infezione. Successivamente la transfezione nella linea linfoblastica 8E5/LAV, che porta integrata nel genoma una copia di HIV, ha dato risultati molto incoraggianti, come la forte riduzione del DNA virale integrato.

Costruzione di chimere molecolari dell'enzima Integrasi di HIV con attività idrolizzante delle LTR virali.

La Sindrome da Immunodeficienza Acquisita (AIDS o SIDA) causata da HIV-1 (Virus dell'Immunodeficienza umana) è caratterizzata dalla graduale compromissione del sistema immunitario del soggetto colpito. Le attuali terapie farmacologiche, purtroppo, non riescono a eliminare l'infezione a causa della comparsa di continui ceppi resistenti ai farmaci, e inoltre questi trattamenti non sono in grado di eliminare i reservoir virali latenti e permettere l'eradicazione definitiva del virus dall’organismo. E' in questo ambito che si colloca il progetto a cui ho lavorato principalmente in questi anni, cioè la creazione di una strategia per eradicare il provirus di HIV integrato nel genoma della cellula ospite. L'Integrasi di HIV-1 è un enzima che media l'integrazione del cDNA virale nel genoma della cellula ospite. La nostra idea è stata, quindi, quella di associare all'attività di legame dell'IN stessa, un'attività catalitica. A tal fine abbiamo creato una proteina chimerica costituita da un dominio DNA-binding, dato dall'Integrasi, e da un dominio con attività nucleasica fornito dall'enzima FokI. La chimera ottenuta è stata sottoposta a mutagenesi random mediante UV, ed è stata oggetto di selezione in vivo, al fine di ottenere una chimera capace di riconoscere, specificamente le LTR di HIV-1, e idrolizzare i siti di inserzione. Questo lavoro porterà a definire pertanto se l'IN di HIV può essere riprogrammata a catalizzare una nuova funzione mediante la sostituzione dell'attività del proprio dominio catalitico con quello di FokI.

Accuracy of liver stiffness measurement using fibroscan ® to predict the response to antiviral therapy in patients with chronic hepatitis c viral infection

Introduction: Antiviral therapy can prevent disease progression in patients with chronic hepatitis C . Transient Elastografy (TE; Fibroscan) is an accurate surrogate marker to liver fibrosis, by measuring liver stiffness (LS). LS decrease has been associated with sustained virologic response (SVR). Aim: to assess the changes of LS measurments in CHC patients during and one year after Interferon (IFN)-based antiviral therapy (IFN/ribavirin) or (telaprevir+IFN/ribavirin). Methods: consecutive 69 CHC patients (53.6% females, mean age 57.9 ± 11.4) who underwent antiviral therapy for at least 20 weeks were enrolled. LS was measured using FibroScan at baseline, after three months, at the end of treatment and one year after treatment discontinuation. Fibrosis was graded using METAVIR score. Results: twenty patients treated with triple therapy and 49 with IFN/ribavirin. Fifty patients had SVR and 19 were non-responders. SVR patients: F0-F1, F2 and F3 patients (39.1%, 7.2% and 17.4%; respectively) showed no significant LS decrease (P= 0.186, 0.068 and 0.075; respectively). Conversely, in F4 patients (36.2%) LS was significantly decreased (P=0.015) after one year of treatment completion. In all patients with no SVR, no significant decrease in LS was observed. Interestingly, all Patients with F4 fibrosis (even non-responders) showed an initial significant decrease in LS (P=0.024) at 3 months after the start of treatment. However, this decrease was not predictive of SVR; area under the ROC curve 0.369 (CI %: 0.145-0.592) P= 0.265. Conclusion: Our study showed that initial decrease in LSM, especially in patients with higher baseline fibrosis score is unlikely to predict an SVR. In addition no significant association was found between clinical or virological parameters and fibrosis improvement. Further studies are needed to delineate the most appropriate clinical scenarios for the LSM by Fibroscan in chronic hepatitis C and its role in monitoring the response to antiviral treatment.

Development of new molecular methods for the diagnosis and the study of viral diseases of fish

The increase in aquaculture operations worldwide has provided new opportunities for the transmission of aquatic viruses. The occurrence of viral diseases remains a significant limiting factor in aquaculture production and for the sustainability. The ability to identify quickly the presence/absence of a pathogenic organism in fish would have significant advantages for the aquaculture systems. Several molecular methods have found successful application in fish pathology both for confirmatory diagnosis of overt diseases and for detection of asymptomatic infections. However, a lot of different variants occur among fish host species and virus strains and consequently specific methods need to be developed and optimized for each pathogen and often also for each host species. The first chapter of this PhD thesis presents a complete description of the major viruses that infect fish and provides a relevant information regarding the most common methods and emerging technologies for the molecular diagnosis of viral diseases of fish. The development and application of a real time PCR assay for the detection and quantification of lymphocystivirus was described in the second chapter. It showed to be highly sensitive, specific, reproducible and versatile for the detection and quantitation of lymphocystivirus. The use of this technique can find multiple application such as asymptomatic carrier detection or pathogenesis studies of different LCDV strains. The third chapter, a multiplex RT-PCR (mRT-PCR) assay was developed for the simultaneous detection of viral haemorrhagic septicaemia (VHS), infectious haematopoietic necrosis (IHN), infectious pancreatic necrosis (IPN) and sleeping disease (SD) in a single assay. This method was able to efficiently detect the viral RNA in tissue samples, showing the presence of single infections and co-infections in rainbow trout samples. The mRT-PCR method was revealed to be an accurate and fast method to support traditional diagnostic techniques in the diagnosis of major viral diseases of rainbow trout.