Identification of a novel determinant for membrane association in hepatitis C virus nonstructural protein 4B.

Nonstructural protein 4B (NS4B) plays an essential role in the formation of the hepatitis C virus (HCV) replication complex. It is a relatively poorly characterized integral membrane protein predicted to comprise four transmembrane segments in its central portion. Here, we describe a novel determinant for membrane association represented by amino acids (aa) 40 to 69 in the N-terminal portion of NS4B. This segment was sufficient to target and tightly anchor the green fluorescent protein to cellular membranes, as assessed by fluorescence microscopy as well as membrane extraction and flotation analyses. Circular dichroism and nuclear magnetic resonance structural analyses showed that this segment comprises an amphipathic alpha-helix extending from aa 42 to 66. Attenuated total reflection infrared spectroscopy and glycosylation acceptor site tagging revealed that this amphipathic alpha-helix has the potential to traverse the phospholipid bilayer as a transmembrane segment, likely upon oligomerization. Alanine substitution of the fully conserved aromatic residues on the hydrophobic helix side abrogated membrane association of the segment comprising aa 40 to 69 and disrupted the formation of a functional replication complex. These results provide the first atomic resolution structure of an essential membrane-associated determinant of HCV NS4B.

Estimating the net contribution of interleukin-28B variation to spontaneous hepatitis C virus clearance.

The identification of associations between interleukin-28B (IL-28B) variants and the spontaneous clearance of hepatitis C virus (HCV) raises the issues of causality and the net contribution of host genetics to the trait. To estimate more precisely the net effect of IL-28B genetic variation on HCV clearance, we optimized genotyping and compared the host contributions in multiple- and single-source cohorts to control for viral and demographic effects. The analysis included individuals with chronic or spontaneously cleared HCV infections from a multiple-source cohort (n = 389) and a single-source cohort (n = 71). We performed detailed genotyping in the coding region of IL-28B and searched for copy number variations to identify the genetic variant or haplotype carrying the strongest association with viral clearance. This analysis was used to compare the effects of IL-28B variation in the two cohorts. Haplotypes characterized by carriage of the major alleles at IL-28B single-nucleotide polymorphisms (SNPs) were highly overrepresented in individuals with spontaneous clearance versus those with chronic HCV infections (66.1% versus 38.6%, P = 6 × 10(-9) ). The odds ratios for clearance were 2.1 [95% confidence interval (CI) = 1.6-3.0] and 3.9 (95% CI = 1.5-10.2) in the multiple- and single-source cohorts, respectively. Protective haplotypes were in perfect linkage (r(2) = 1.0) with a nonsynonymous coding variant (rs8103142). Copy number variants were not detected. We identified IL-28B haplotypes highly predictive of spontaneous HCV clearance. The high linkage disequilibrium between IL-28B SNPs indicates that association studies need to be complemented by functional experiments to identify single causal variants. The point estimate for the genetic effect was higher in the single-source cohort, which was used to effectively control for viral diversity, sex, and coinfections and, therefore, offered a precise estimate of the net host genetic contribution.

An exploratory study for the discovery of non-invasive hepatocellular carcinoma biomarkers among high-risk hepatitis C virus infected patients

Hepatocellular Carcinoma (HCC) is a major healthcare problem, representing the third most common cause of cancer-related mortality worldwide. Chronic infections with Hepatitis B virus (HBV) and/or Hepatitis C virus (HCV) are the major risk factors for the development of HCC. The incidence of HBV -associated HCC is in decline as a result of an effective HBV vaccine; however, since an equally effective HCV vaccine has not yet been developed, there are 130 million HCV infected patients worldwide who are at a high-risk for developing HCC. Because reliable parameters and/or tools for the early detection of HCC among high-risk individuals are severely lacking, HCC patients are always diagnosed at a late stage where surgical solutions or effective treatment are not possible. Using urine as a non-invasive sample source, two different approaches (proteomic-based and genomic-based approaches) were pursued with the common goal of discovering potential biomarker candidates for the early detection of HCC among high-risk chronic HCV infected patients. Urine was collected from 106 HCV infected Egyptian patients, 32 of whom had already developed HCC and 74 patients who were diagnosed as HCC-free at the time of initial sample collection. In addition to these patients, urine samples were also collected from 12 healthy control individuals. Total urinary proteins, Trans-renal nucleic acid (Tr-NA) and microRNA (miRNA) were isolated from urine using novel methodologies and silicon carbide-loaded spin columns. In the first, "proteomic-based", approach, liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) was used to identify potential candidates from pooled urine samples. This was followed by validating relative expression levels of proteins present in urine among all the patients using quantitative real time-PCR (qRT-PCR). This approach revealed that significant over-expression of three proteins: DJ-1, Chromatin Assembly Factor-1 (CAF-1) and 11 Moemen Abdalla HCC Biomarkers Heat Shock Protein 60 (HSP60), were characteristic events among HCC-post HCV infected patients. As a single-based HCC biomarker, CAF-1 over-expression identified HCC among HCV infected patients with a specificity of 90%, sensitivity of 66% and with an overall diagnostic accuracy of 78%. Moreover, the CAF-lIHSP60 tandem identified HCC among HCV infected patients with a specificity of 92%, sensitivity of 61 % and with an overall diagnostic accuracy of 77%. In the second genomic-based approach, two different approaches were processed. The first approach was the miRNA-based approach. The expression levels of miRNAs isolated from urine were studied using the Illumina MicroRNA Expression Profiling Assay. This was followed by qRT-PCR-based validation of deregulated expression of identified miRNA candidates among all the patients. This approach shed the light on the deregulated expression of a number of miRNAs, which may have a role in either the development of HCC among HCV infected patients (i.e. miR-640, miR-765, miR-200a, miR-521 and miR-520) or may allow for a better understanding of the viral-host interaction (miR-152, miR-486, miR-219, miR452, miR-425, miR-154 and miR-31). Moreover, the deregulated expression of both miR-618 and miR-650 appeared to be a common event among HCC-post HCV infected patients. The results of the search for putative targets of these two miRNA suggested that miR-618 may be a potent oncogene, as it targets the tumor-suppressor gene Low density lipoprotein-related protein 12 (LPR12), while miR-650 may be a potent tumor-suppressor gene, as it is supposed to downregulate the TNF receptor-associated factor-4 (TRAF4) oncogene. The specificity of miR-618 and miR-650 deregulated expression patterns for the early detection of HCC among HCV infected patients was 68% and 58%, respectively, whereas the sensitivity was 64% and 72%, respectively. When the deregulated expression of both miRNAs was combined as a tandem biomarker, the specificity and the sensitivity were 75% and 58% respectively. 111 Moemen Abdalla HCC Biomarkers In the second, "Trans-renal nucleic acid-based", approach, the urinary apoptotic nucleic acid (uaNA) levels of 70ng/mL or more were found to be a good predictor of HCC among chronic HCV infected patients. The specificity and the sensitivity of this diagnostic approach were 76% and 86%, respectively, with an overall diagnostic value of 81 %. The uaNA levels positively correlated to HCC disease progression as monitored by epigenetic changes of a panel of eight tumor-suppressor genes (TSGs) using methylation-sensitive PCR. Moreover, the pairing of high uaNA levels (:::: 70 ng/mL) and CAF-1 over-expreSSIOn produced a highly specific (l 00%) multiple-based HCC biomarker with an acceptable sensitivity of 64%, and with a diagnostic accuracy of 82%. In comparison to the previous pairing, the uaNA levels (:::: 70 ng/mL) in tandem with HSP60 over-expression was less specific (89%) but highly sensitive (72%), resulting in a diagnostic accuracy of 64%. The specificities of miR-650 deregulated expression in combination with either high uaNA content or HSP 60 over-expression were 82% and 79%, respectively, whereas, the sensitivities of these combinations were 64% and 58%, respectively. The potential biomarkers identified in this study compare favorably with the diagnostic accuracy of the a-fetoprotein levels test, which has a specificity of 75%, sensitivity of 68% and an overall diagnostic accuracy of 70%. Here we present an intriguing study which shows the significance of using urine as a noninvasive sample source for the identification of promising HCC biomarkers. We have also introduced new techniques for the isolation of different urinary macromolecules, especially miRNA, from urine. Furthermore, we strongly recommend the potential biomarkers indentified in this study as focal points of any future research on HCC diagnosis. A larger testing pool will determine if their use is practical for mass population screening. This explorative study identified potential targets that merit further investigation for the development of diagnostically accurate biomarkers isolated from 1-2 mL urine samples that were acquired in a non-invasive manner.

STRATEGIES FOR PREVENTION AND TREATMENT OF HEPATITIS C VIRUS INFECTION

Hepatitis C virus (HCV) is the causative agent of Hepatitis C, a serious global health problem which results in liver cirrhosis and hepatocellular carcinoma. Currently there is no effective treatment or vaccine against the virus. Therefore, development of a therapeutic vaccine is of paramount importance. In this project, three alternative approaches were used to control HCV including a DNA vaccine, a recombinant viral vaccine and RNA interference. The first approach was to test the effect of different promoters on the efficacy of a DNA vaccine against HCV. Plasmids encoding HCV-NS3 and E1 antigens were designed under three different promoters, adenoviral E1A, MLP, and CMV ie. The promoter effect on the antigen expression in 293 cells, as well as on the antibody level in immunized BALB/c mice, was evaluated. The results showed that the antigens were successfully expressed from all vectors. The CMV ie promoter induced the highest antigen expression and the highest antibody level. Second, the efficiency of a recombinant adenovirus vaccine encoding HCV-NS3 was compared to that of a HCV-NS3 plasmid vaccine. The results showed that the recombinant adenovirus vaccine induced higher antibody levels as compared to the plasmid vaccine. The relationship between the immune response and miRNA was also evaluated. The levels of mir-181, mir-155, mir-21 and mir-296 were quantified in the sera of immunized animals. mir-181 and mir-21 were found to be upregulated in animals injected with adenoviral vectors. Third, two recombinant adenoviruses encoding siRNAs targeting both the helicase and protease parts of the NS3 region were tested for their ability to inhibit NS3 expression. The results showed that the siRNA against protease was more effective in silencing the HCV-NS3 gene in a HCV replicon cell line. This result confirmed the efficiency of adenovirus for siRNA delivery. These results confirmed that CMV ie is optimum promoter for immune response induction. Adenovirus was shown to be an effective delivery vector for antigens or siRNAs. In addition, miRNAs were proved to be involved in the regulation of immune response.

Virus-Host Interaction during Therapy against Hepatitis C Virus

Le virus de l’hépatite C (VHC) est un problème mondial. La majorité des personnes infectées (70-85%) développent une infection chronique qui cause des complications hépatiques. Le seul régime thérapeutique approuvé pour le VHC est l'interféron alpha (IFN-α). Ce traitement a un taux de réussite de 50-80% selon le génotype de virus et le moment de l'initiation de la thérapie. Les facteurs régissant la réponse au traitement ne sont pas bien définis. Des études antérieures ont suggéré un rôle potentiel de la réponse immunitaire de l'hôte au succès de la thérapie, toutefois, ces résultats sont controversés. Nous avons émis l'hypothèse que la réponse immunitaire de l’hôte sera plus efficace chez les patients qui commencent la thérapie tôt pendant la phase aiguë de l'infection. En revanche, la réponse immunitaire sera épuisée lorsque le traitement est initié pendant la phase chronique. L'objectif principal de ce mémoire est d’étudier les facteurs immunologiques qui régissent la réponse à la thérapie, et de déterminer si la contribution de la réponse immunitaire de l'hôte peut être influencée par la période de l'infection. Nos résultats démontrent l'efficacité de la restauration de la réponse immunitaire spécifique au VHC lorsque la thérapie par l'interféron est initiée tôt. Ceci est démontré par le sauvetage des cellules T efficaces spécifiques au VHC efficace similaires à celles observées chez les individus qui ont résolu spontanément, suggérant ainsi qu'elles jouent un rôle actif dans la réponse au traitement. Toutefois, cette réponse n'a pas été restaurée chez les patients traités au cours de la phase chronique. Ces résultats ont des implications importantes dans la compréhension des mécanismes sous-jacents à la réponse aux traitements actuels et au développement des nouvelles thérapies.

Correlates of protective immunity against hepatitis C virus

Le virus de l’hépatite C (VHC) infecte ~185 millions d’individus dans le monde. Malgré le développement des nouvelles thérapies dirigées contre le VHC, on compte deux millions de nouvelles infections chaque année, en particulier dans les pays sous-développés et les populations marginalisées. Comme pour la plupart des virus à infection chronique, le développement d’un vaccin prophylactique efficace est limité par le manque de caractérisation des déterminants de la mémoire immunitaire protectrice lors des épisodes de réinfection naturelle chez les êtres humains. Le VHC représente un modèle unique au sein des virus à infection chronique pour étudier l’immunité protectrice. En effet ~30% des patients infectés par le VHC peuvent être guéris suite à un premier épisode d’infection spontanément. Dans cette thèse, nous avons étudié l’immunité protectrice contre le VHC dans une cohorte d’utilisateurs de drogues par injection qui sont à risque d’être infectés ou réinfectés. Notre hypothèse est que la majorité des patients qui ont résolu une première infection par le VHC sont protégés contre le développement d’une infection chronique s’ils sont réexposés. Cette immunité protectrice est associée à la présence des cellules T CD4 et CD8 polyfonctionnelles qui possèdent des fréquences, magnitudes et avidités élevées. La capacité protectrice des cellules T mémoire contre les séquences variables du VHC est dépendante de la diversité et flexibilité du répertoire de leurs récepteurs de cellules T (TCR), qui reconnaissent les séquences variables des épitopes ciblés. Notre premier objectif était de définir et détailler les déterminants de l’immunité protectrice conférée par les cellules T spécifiques du VHC. Nos résultats ont montré que la protection pendant l’épisode de réinfection était associée à une augmentation de la magnitude et du spectre des réponses spécifiques par les cellules T CD4 et CD8 polyfonctionnelles, ainsi que par l’apparition d’une population de cellules T tétramère+ CD8+ effectrices qui expriment faiblement le marqueur CD127 (CD127lo) lors du pic de la réponse. Chez les patients qui ont développé une infection chronique pendant l’épisode de réinfection, nous avons observé une expansion très limitée des cellules T CD4 et CD8. Le séquençage des épitopes ciblés par les cellules T CD8 chez ces patients qui sont non-protégés a montré que les séquences de ces épitopes sont différentes des séquences de référence qui étaient utilisées pour tous les essais immunologiques de cette étude. Le deuxième objectif était d’analyser la dynamique du répertoire des TCRs des cellules T CD8 spécifiques chez les patients protégés versus les patients non-protégés. Nos résultats ont montré que le répertoire des cellules T CD8 spécifiques est plus focalisé que chez les patients protégés. En plus, nous avons observé que les clonotypes qui forment le répertoire chez les patients protégés sont distincts de ceux chez les patients non-protégés. Ces clonotypes chez les patients protégés ont montré de plus grandes avidité et polyfonctionnalité que leurs homologues chez les patients non-protégés. En conclusion, nos résultats suggèrent que la protection contre le développement d’une infection chronique pendant l’épisode de réinfection par le VHC est associée à une augmentation de la magnitude, du spectre et de la fonctionnalité des réponses des cellules T spécifiques, ainsi qu’à un répertoire des TCRs plus focalisé composé des clonotypes distincts qui possèdent de plus grandes avidité et polyfonctionnalité que chez les patients non-protégés. L’homologie des séquences des souches virales entre les différents épisodes de l’infection est un déterminant majeur de l’établissement d’une protection efficace. Ces résultats ont donc des implications très importantes pour le développement d’un vaccin prophylactique contre le VHC et d’autres virus à infection chronique.

Recognition of hepatitis C virus RNA by toll like receptors 7 and 8 : implications for the initiation of innate immune response

Le virus de l’hépatite C (VHC) est un virus à ARN simple brin positif (ssARN) qui se replique dans le foie. Deux cents millions de personnes sont infectées par le virus dans le monde et environ 80% d’entre elles progresseront vers un stade chronique de l’infection. Les thérapies anti-virales actuelles comme l’interféron (IFN) ou la ribavirin sont de plus en plus utilisées mais ne sont efficaces que dans la moitié des individus traités et sont souvent accompagnées d’une toxicité ou d’effets secondaires indésirables. Le système immunitaire inné est essentiel au contrôle des infections virales. Les réponses immunitaires innées sont activées suite à la reconnaissance par les Pathogen Recognition Receptors (PRRs), de motifs macromoléculaires dérivés du virus appelés Pathogen-Associated Molecular Patterns (PAMPs). Bien que l'activation du système immunitaire par l'ARN ou les protéines du VHC ait été largement étudiée, très peu de choses sont actuellement connues concernant la détection du virus par le système immunitaire inné. Et même si l’on peut très rapidement déceler des réponses immunes in vivo après infection par le VHC, l’augmentation progressive et continue de la charge virale met en évidence une incapacité du système immunitaire à contrôler l’infection virale. Une meilleure compréhension des mécanismes d’activation du système immunitaire par le VHC semble, par conséquent, essentielle au développement de stratégies antivirales plus efficaces. Dans le présent travail nous montrons, dans un modèle de cellule primaire, que le génome ARN du VHC contient des séquences riches en GU capables de stimuler spécifiquement les récepteurs de type Toll (TLR) 7 et 8. Cette stimulation a pour conséquence la maturation des cellules dendritiques plasmacytoïdes (pDCs), le production d’interféron de type I (IFN) ainsi que l’induction de chémokines et cytokines inflammatoires par les différentes types de cellules présentatrices d’antigènes (APCs). Les cytokines produites après stimulation de monocytes ou de pDCs par ces séquences ssARN virales, inhibent la production du virus de façon dépendante de l’IFN. En revanche, les cytokines produites après stimulation de cellules dendritiques myéloïdes (mDCs) ou de macrophages par ces mêmes séquences n’ont pas d’effet inhibiteur sur la production virale car les séquences ssARN virales n’induisent pas la production d’IFN par ces cellules. Les cytokines produites après stimulation des TLR 7/8 ont également pour effet de diminuer, de façon indépendante de l’IFN, l’expression du récepteur au VHC (CD81) sur la lignée cellulaire Huh7.5, ce qui pourrait avoir pour conséquence de restreindre l’infection par le VHC. Quoiqu’il en soit, même si les récepteurs au VHC comme le CD81 sont largement exprimés à la surface de différentes sous populations lymphocytaires, les DCs et les monocytes ne répondent pas aux VHC, Nos résultats indiquent que seuls les macrophages sont capables de reconnaître le VHC et de produire des cytokines inflammatoires en réponse à ce dernier. La reconnaissance du VHC par les macrophages est liée à l’expression membranaire de DC-SIGN et l’engagement des TLR 7/8 qui en résulte. Comme d’autres agonistes du TLR 7/8, le VHC stimule la production de cytokines inflammatoires (TNF-α, IL-8, IL-6 et IL-1b) mais n’induit pas la production d’interféron-beta par les macrophages. De manière attendue, la production de cytokines par des macrophages stimulés par les ligands du TLR 7/8 ou les séquences ssARN virales n’inhibent pas la réplication virale. Nos résultats mettent en évidence la capacité des séquences ssARN dérivées du VHC à stimuler les TLR 7/8 dans différentes populations de DC et à initier une réponse immunitaire innée qui aboutit à la suppression de la réplication virale de façon dépendante de l’IFN. Quoiqu’il en soit, le VHC est capable d’échapper à sa reconnaissance par les monocytes et les DCs qui ont le potentiel pour produire de l’IFN et inhiber la réplication virale après engagement des TLR 7/8. Les macrophages possèdent quant à eux la capacité de reconnaître le VHC grâce en partie à l’expression de DC-SIGN à leur surface, mais n’inhibent pas la réplication du virus car ils ne produisent pas d’IFN. L’échappement du VHC aux défenses antivirales pourrait ainsi expliquer l’échec du système immunitaire inné à contrôler l’infection par le VHC. De plus, la production de cytokines inflammatoires observée après stimulation in vitro des macrophages par le VHC suggère leur potentielle contribution dans l’inflammation que l’on retrouve chez les individus infectés par le VHC.

Contribution of redox status to hepatitis C virus E2 envelope protein function and antigenicity

Disulfide bonding contributes to the function and antigenicity of many viral envelope glycoproteins. We assessed here its significance for the hepatitis C virus E2 envelope protein and a counterpart deleted for hypervariable region-1 (HVR1). All 18 cysteine residues of the antigens were involved in disulfides. Chemical reduction of up to half of these disulfides was compatible with anti-E2 monoclonal antibody reaction, CD81 receptor binding, and viral entry, whereas complete reduction abrogated these properties. The addition of 5,5'-dithiobis-2-nitrobenzoic acid had no effect on viral entry. Thus, E2 function is only weakly dependent on its redox status, and cell entry does not require redox catalysts, in contrast to a number of enveloped viruses. Because E2 is a major neutralizing antibody target, we examined the effect of disulfide bonding on E2 antigenicity. We show that reduction of three disulfides, as well as deletion of HVR1, improved antibody binding for half of the patient sera tested, whereas it had no effect on the remainder. Small scale immunization of mice with reduced E2 antigens greatly improved serum reactivity with reduced forms of E2 when compared with immunization using native E2, whereas deletion of HVR1 only marginally affected the ability of the serum to bind the redox intermediates. Immunization with reduced E2 also showed an improved neutralizing antibody response, suggesting that potential epitopes are masked on the disulfide-bonded antigen and that mild reduction may increase the breadth of the antibody response. Although E2 function is surprisingly independent of its redox status, its disulfide bonds mask antigenic domains. E2 redox manipulation may contribute to improved vaccine design.