Immunology of viral disease, how to curb persistent infection

1. 1. Summaries 1.1. Preamble and extended abstract The present thesis dissertation addresses the question of antiviral immunity from the particular standpoint of the adaptive T cell-mediated immune response. The experimental work is presented in the form of three published articles (two experimental articles and one review article, see sections 4.1, 4.2 and 4.3 on pages 73, 81 and 91, respectively), describing advances both in our understanding of viral control by CD8 T lymphocytes, and in vaccine development against the Human Immunodeficiency Virus Type 1 (HIV-1). Because the articles focus on rather specialized areas of antiviral immunity, the article sections are preceded by a general introduction (section 3) on the immune system in general, and on four viruses that were addressed in the experimental work, namely HIV-1, Cytomegalovirus (CMV), Epstein Barr Virus (EBV) and Influenzavirus (Flu). This introduction section is aimed at providing a glimpse on viral molecular biology and immunity, to help the hypothetical non-expert reader proceeding into the experimental part. For this reason, each section is presented as individual entity and can be consulted separately. The four viruses described are of peculiar relevance to immunity because they induce an array of opposite host responses. Flu causes a self limiting disease after which the virus is eradicated. CMV and EBV cause pauci-symptomatic or asymptomatic diseases after which the viruses establish lifelong latency in the host cells, but are kept in check by immunity. Eventually, HIV-1 establishes both latency - by inserting its genome into the host cell chromosome - and proceeds in destroying the immune system in a poorly controlled fashion. Hence, understanding the fundamental differences between these kinds of viral host interactions might help develop new strategies to curb progressive diseases caused by viruses such as HIV-1. Publication #1: The first article (section 4.1, page 73) represents the main frame of my laboratory work. It analyses the ability of CD8 T lymphocytes recovered from viral-infected patients to secrete interferon γ (IFN-γ) alone or in conjunction with interleukin 2 (IL-2) when exposed in vitro to their cognate viral antigens. CD8 T cells are instrumental in controlling viral infection. They can identify infected cells by detecting viral antigens presented at the surface of the infected cells, and eliminate both the cell and its infecting virus by triggering apoptosis and/or lysis of the infected cell. Recognition of these antigens triggers the cognate CD8 cells to produce cytokines, including IFN-γ and IL-2, which in turn attract and activate other pro-inflammatory cells. IFN-γ triggers both intrinsic antiviral activity of the infected cells and distant activation of pro-inflammatory cells, which are important for the eradication of infection. IL-2 is essential for clonal expansion of the antigen (Ag)-specific CD8 T cell. Hence the existence of Ag-specific CD8 cells secreting both IFN-γand IL-2 should be beneficial for controlling infection. In this first work we determined the percentage of IFN-y/IL-2 double positive and single IFN-γsecreting CD8 T cells against antigens HIV-1, CMV, EBV and Flu in three groups of subjects: (i) HIV-1 infected patients progressing to disease (progressors), (ii) HIV-1-infected subjects not progressing to disease (long-term non progressors or LTNP), and (iii) HIV negative blood donors. The results disclosed a specific IFN-y/IL-2 double positive CD8 response in all subjects able to control infection. In other words, IFN-y/IL-2 double positive CD8 cells were present in virus-specific CD8 T cells against Flu, CMV and EBV as well against HIV-1 in LTNP. In contrast, progressors only had single IFN-γsecreting CD8 T cells. Hence, the ability to develop an IFN-y/IL-2 double positive response might be critical to control infection, independently of the nature of the virus. Additional experiments helped identify the developmental stage of the missing cells (using different markers such as CD45RA and CCR7) and showed a correlation between the absence of IL-2 secreting CD8 T cells and a failure in the proliferation capacity of virus-specific CD8 T cells. Addition of exogenous IL-2 could restore clonal expansion of HIV-1 specific CD8 T cells, at least in vitro. It could further been shown, that IL-2 secreting CD8 T cells are sufficient to support proliferation even in absence of CD4 help. However, the reason for the missing IFN-y/IL-2 double positive CD8 T cell response in HIV-1 progessors has yet to be determined. Publication #2: The second article (section 4.2, page 81) explores new strategies to trigger CD8 T cell immunity against specific HIV-1 proteins believed to be processed and exposed as "infection signal" at the surface of infected cells. Such signals consist of peptide fragments (8- 13 amino acids) originating from viral proteins and presented to CD8 T cells in the frame of particular cell surface molecules of the major histocompatibility complex class I* (MHC I). To mimic "natural" viral infection, the HIV-1 polyprotein Gagpolnef was inserted and expressed in either of two attenuated viruses i.e. vaccinia virus (MVA) or poxvirus (NYVAC). Mice were infected with these recombinant viruses and specific CD8 T cell response to Gagpolnef peptides was sought. Mice could indeed mount a CD8 T cell response against the HIV-1 antigens, indicating that the system worked, at least in this animal model. To further test whether peptides from Gagpolnef could also be presented in the frame of the human MHC class I proteins, a second round of experiments was performed in "humanized" transgenic mice expressing human MHC molecules. The transgenic mice were also able to load Gagpolnef peptides on their human MHC molecule, and these cells could be detected and destroyed by Ag-specific CD8 T cells isolated from HIV-1-infected patients. Therefore, expressing Gagpolnef on attenuated recombinant viruses might represent a valid strategy for anti-HIV-1 immunization in human. Publication #3: This is a review paper (section 4.3, page 91) describing the immune response to CMV and newly developed methods to detect this cellular immune response. Some of it focuses on the detection of T cells by using in vitro manufactured tetramers. These consist of four MHC class I molecules linked together and loaded with the appropriate antigenic peptide. The tetramer can be labeled with a fluorochrome and analyzed with a fluorescence-activated cell sorter. Taken together, the work presented indicates that (i) an appropriate CD8 T cell response consisting of IFN-y/IL-2 double positive effectors, can potentially control viral infection, including HIV-1 infection, (ii) such a response might be triggered by recombinant viral vaccines, and (iii) CD8 T cell response can be monitored by a variety of techniques, including recently-developed MHC class I tetramers. 1. 2. Préambule et résumé élargi Le présent travail de thèse s'intéresse à l'immunité antivirale du point de vue particulier de la réponse adaptative des cellules T. Le travail expérimental est présenté sous la forme de trois articles publiés (2 articles expérimentaux et 1 article de revue, voir sections 4.1, 4.2 et 4.3, pages 58, 66 et 77, respectivement), décrivant des progrès dans la compréhension du contrôle de l'infection virale par les lymphocytes T CD8, ainsi que dans le développement de nouveaux vaccins contre le Virus d'Immunodéficience de Humaine de type 1 (VIH-1). En raison du caractère spécialisé de l'immunité antivirale de type cellulaire, les articles sont précédés par une introduction générale (section 3), dont le but est de pourvoir le lecteur non avisé avec des bases nécessaire à une meilleure appréhension du travail expérimental. Cette introduction présente les grandes lignes du système immunitaire, et décrit de façon générale les 4 virus utilisés dans le travail expérimental: à savoir le virus VIH-1, le Cytomégalovirus (CMV), le virus Epstein Barr (EBV) et le virus Influenza A (Flu). Toutes les sections sont présentées de façon individuelle et peuvent être consultées séparément. La description des 4 virus a une pertinence particulière quant à leur interaction avec le système immun. En effet, ils induisent une panoplie de réponses immunitaires s'étendant aux extrêmes de la réaction de l'hôte. Influenza A est à l'origine d'une maladie cytopathique aiguë, au décours de laquelle le virus est éradiqué par l'hôte. CMV et EBV sont classiquement à l'origine d'infections pauci-symptomatiques, voire asymptomatiques, après lesquelles les virus persistent de façon latente dans la cellule hôte. Cependant, ils restent sous le contrôle du système immun, qui peut prévenir une éventuelle réactivation. Enfin, VIH-1 s'établit à la fois en infection latente - par l'insertion de son génome dans le chromosome des cellules hôtes - et en infection productive et cytopathique, échappant au contrôle immunitaire et détruisant ses cellules cibles. La compréhension des différences fondamentales entre ces différents types d'interactions virus-hôte devraient faciliter le développement de nouvelles stratégies antivirales. Article 1: Le premier article (section 4.1 Page 58) représente l'objet principal de mon travail de laboratoire. Il analyse la capacité des lymphocytes T CD8 spécifiques de différent virus à sécréter de l'interféron gamma (IFN-y) et/ou de l'interleukine 2 (IL-2) après stimulation par leur antigène spécifique. Les cellules T CD8 jouent un rôle crucial dans le contrôle des infections virales. Elles identifient les cellules infectées en détectant des antigènes viraux présentés à la surface de ces mêmes cellules, et éliminent à la fois les cellules infectées et les virus qu'elles contiennent en induisant l'apoptose et/ou la lyse des cellules cibles. Parallèlement, l'identification de l'antigène par la cellule T CD8 la stimule à sécréter des cytokines. L'IFN-γen est un exemple. L'IFN-γ stimule les cellules infectées à développer une activé antivirale intrinsèque. De plus, il attire sur place d'autres cellules de l'inflammation, et active leur fonction d'éradication des pathogènes. L'IL-2 est un autre exemple. L'IL-2 est essentielle à l'expansion clonale des cellules T CD8 spécifiques à un virus donné. Elle est donc essentielle à augmenter le pool de lymphocytes antiviraux. En conséquence, la double capacité de sécréter de l'IFN-γ et de IL-2 pourrait être un avantage pour le contrôle antiviral par les cellules T CD8. Dans ce travail nous avons comparé les proportions de lymphocytes T CD8 doubles positifs (IFN-γ/IL-2) et simples positifs (IFN-γ) chez trois groupes de sujets: (i) des patients infectés par VIH-1 qui ne contrôlent pas l'infection (progresseurs), (ii) des patients infectés par VIH-1, mais contrôlant l'infection malgré l'absence de traitement ("long term non progressors" [LTNP]) et (iii) des donneurs de sang négatifs pour l'infection à VIH-1. Les résultats ont montré que les individus capables de contrôler une infection possédaient des cellules T CD8 doubles positifs (IFN-γ/IL-2), alors que les patients ne contrôlant pas l'infection procédaient prioritairement des CD8 simples positifs (IFN-γ). Spécifiquement, les lymphocytes T spécifiques pour Flu, CMV, EBV, et VII-1-1 chez les LTNP étaient tous IFN-γ/IL-2 doubles positifs. Au contraire, les lymphocytes T CD8 spécifique à VIH-1 étaient IFN-γ simples positifs chez les progresseurs. La capacité de développer une réponse IFN-γ/IL-2 pourraient être primordiale pour le contrôle de l'infection, indépendamment de la nature du virus. En effet, il a été montré que l'absence de sécrétion d'IL2 par les lymphocytes T CD8 corrélait avec leur incapacité de proliférer. Dans nos mains, cette prolifération a pu être restaurée in vitro par l'adjonction exogène d'IL-2. Toutefois, la faisabilité de ce type de complémentation in vivo n'est pas claire. Des expériences additionnelles ont permis de préciser de stade de développement des lymphocytes doubles positifs et simples positifs par le biais des marqueurs CD45RA et CCR7. Il reste maintenant à comprendre pourquoi certains lymphocytes T CD8 spécifiques sont incapables à sécréter de l'IL-2. Article 2: Le deuxième article explore des nouvelles stratégies pour induire une immunité T CD8 spécifique aux protéines du VIH-1, qui sont édités et exposés à la surface des cellules infectées. Ces signaux consistent en fragments de peptide de 8-13 acide aminés provenant de protéines virales, et exposées à la surface des cellules infectées dans le cadre des molécules spécialisées d'histocompatibilité de classe I (en anglais "major histocompatibility class I" ou MHC I). Pour mimer une infection virale, la polyprotéine Gagpolnef du VIH-1 a été insérée et exprimée dans deux vecteurs viraux atténués, soit MVA (provenant de vaccinia virus) ou NYVAC (provenant d'un poxvirus). Ensuite des souris ont été infectées avec ces virus recombinants et la réponse T CD8 aux peptides issus de Gagpolnef a été étudiée. Les souris ont été capables de développer une réponse de type CD8 T contre ces antigènes du VIH-1. Pour tester si ces antigènes pouvaient aussi être présentés par dans le cadre de molécules MHC humaines, des expériences supplémentaires ont été faites avec des souris exprimant un MHC humain. Les résultats de ces manipulations ont montré que des cellules T CD8 spécifique aux protéines du VIH pouvaient être détectées. Ce travail ouvre de nouvelles options quant à l'utilisation des virus recombinants exprimant Gagpolnef comme stratégie vaccinale contre le virus VIH-I chez l'homme. Article 3: Ces revues décrivent la réponse immunitaire à CMV ainsi que des nouvelles méthodes pouvant servir à sa détection. Une partie du manuscrit décrit la détection de cellule T à l'aide de tétramères. Il s'agit de protéines chimériques composées de 4 quatre molécules MHC liées entre elles. Elles sont ensuite "chargées" avec le peptide antigénique approprié, et utilisée pour détecter les cellules T CD8 spécifiques à ce montage. Elles sont aussi marquées par un fluorochrome, qui permet une analyse avec un cytomètre de flux, et l'isolement ultime des CD8 d'intérêt. En résumé, le travail présenté dans cette thèse indique que (i) une réponse T CD8 appropriée - définie par la présence des cellules effectrices doublement positives pour l'IFN-γ et l'IL-2 - semble indispensable pour le contrôle des infections virales, y compris par le VIH-1, (ii) une telle réponse peut être induite par des vaccin viral recombinant, et (iii) la réponse T CD8 peut être analysée et suivie grâce à plusieurs techniques, incluant celle des tétramères de MHC class I. 1.3. Résumé pour un large public Le système immunitaire humain est composé de différents éléments (cellules, tissus et organes) qui participent aux défenses de l'organisme contre les pathogènes (bactéries, virus). Parmi ces cellules, les lymphocytes T CD8, également appelés cellules tueuses, jouent un rôle important dans la réponse immunitaire et le contrôle des infections virales. Les cellules T CD8 reconnaissent de manière spécifique des fragments de protéines virales qui sont exposés à la surface des cellules infectées par le virus. Suite à cette reconnaissance, les cellules T CD8 sont capables de détruire et d'éliminer ces cellules infectées, ainsi que les virus qu'elles contiennent. Dans le contexte d'une infection par le virus de l'immunodéficience humaine (VIH), le virus responsable du SIDA, il a pu être montré que la présence des cellules T CD8 est primordiale. En effet, en l'absence de ces cellules, les individus infectés par le VIH progressent plus rapidement vers le SIDA. Au cours de la vie, l'Homme est exposé à plusieurs virus. Mais à l'opposé du VIH, certains d'entre eux ne causent pas des maladies graves : par exemple le virus de la grippe (Influenza), le cytomégalovirus ou encore le virus d'Epstein-Barr. Certains de ces virus peuvent être contrôlés et éliminés de l'organisme (p. ex. le virus de la grippe), alors que d'autres ne sont que contrôlés par notre système immunitaire et restent présents en petite quantité dans le corps sans avoir d'effet sur notre santé. Le sujet de mon travail de thèse porte sur la compréhension du mécanisme de contrôle des infections virales par le système immunitaire : pourquoi certains virus peuvent être contrôlés ou même éliminés de l'organisme alors que d'autres, et notamment le VIH, ne le sont pas. Ce travail a permis de démontrer que les cellules T CD8 spécifiques du VIH ne sécrètent pas les mêmes substances, nécessaires au développement d'une réponse antivirale efficace, que les cellules T CD8 spécifiques des virus contrôlés (le virus de la grippe, le cytomégalovirus et le virus d'Epstein-Barr). Parallèlement nous avons également observé que les lymphocytes T CD8 spécifiques du VIH ne possèdent pas la capacité de se diviser. Ils sont ainsi incapables d'être présents en quantité suffisante pour assurer un combat efficace contre le virus du SIDA. La (les) différence(s) entre les cellules T CD8 spécifiques aux virus contrôlés (grippe, cytomégalovirus et Epstein-Barr) et au VIH pourront peut-être nous amener à comprendre comment restaurer une immunité efficace contre ce dernier.

A frequent hypofunctional IRAK2 variant is associated with reduced spontaneous hepatitis C virus clearance.

UNLABELLED: Patients carrying very rare loss-of-function mutations in interleukin-1 receptor-associated kinase 4 (IRAK4), a critical signaling mediator in Toll-like receptor signaling, are severely immunodeficient, highlighting the paramount role of IRAK kinases in innate immunity. We discovered a comparatively frequent coding variant of the enigmatic human IRAK2, L392V (rs3844283), which is found homozygously in ∼15% of Caucasians, to be associated with a reduced ability to induce interferon-alpha in primary human plasmacytoid dendritic cells in response to hepatitis C virus (HCV). Cytokine production in response to purified Toll-like receptor agonists was also impaired. Additionally, rs3844283 was epidemiologically associated with a chronic course of HCV infection in two independent HCV cohorts and emerged as an independent predictor of chronic HCV disease. Mechanistically, IRAK2 L392V showed intact binding to, but impaired ubiquitination of, tumor necrosis factor receptor-associated factor 6, a vital step in signal transduction. CONCLUSION: Our study highlights IRAK2 and its genetic variants as critical factors and potentially novel biomarkers for human antiviral innate immunity. (Hepatology 2015;62:1375-1387).

Strong impact of smoking on multimorbidity and cardiovascular risk among human immunodeficiency virus-infected individuals in comparison with the general population.

Background.  Although acquired immune deficiency syndrome-associated morbidity has diminished due to excellent viral control, multimorbidity may be increasing among human immunodeficiency virus (HIV)-infected persons compared with the general population. Methods.  We assessed the prevalence of comorbidities and multimorbidity in participants of the Swiss HIV Cohort Study (SHCS) compared with the population-based CoLaus study and the primary care-based FIRE (Family Medicine ICPC-Research using Electronic Medical Records) records. The incidence of the respective endpoints were assessed among SHCS and CoLaus participants. Poisson regression models were adjusted for age, sex, body mass index, and smoking. Results.  Overall, 74 291 participants contributed data to prevalence analyses (3230 HIV-infected; 71 061 controls). In CoLaus, FIRE, and SHCS, multimorbidity was present among 26%, 13%, and 27% of participants. Compared with nonsmoking individuals from CoLaus, the incidence of cardiovascular disease was elevated among smoking individuals but independent of HIV status (HIV-negative smoking: incidence rate ratio [IRR] = 1.7, 95% confidence interval [CI] = 1.2-2.5; HIV-positive smoking: IRR = 1.7, 95% CI = 1.1-2.6; HIV-positive nonsmoking: IRR = 0.79, 95% CI = 0.44-1.4). Compared with nonsmoking HIV-negative persons, multivariable Poisson regression identified associations of HIV infection with hypertension (nonsmoking: IRR = 1.9, 95% CI = 1.5-2.4; smoking: IRR = 2.0, 95% CI = 1.6-2.4), kidney (nonsmoking: IRR = 2.7, 95% CI = 1.9-3.8; smoking: IRR = 2.6, 95% CI = 1.9-3.6), and liver disease (nonsmoking: IRR = 1.8, 95% CI = 1.4-2.4; smoking: IRR = 1.7, 95% CI = 1.4-2.2). No evidence was found for an association of HIV-infection or smoking with diabetes mellitus. Conclusions.  Multimorbidity is more prevalent and incident in HIV-positive compared with HIV-negative individuals. Smoking, but not HIV status, has a strong impact on cardiovascular risk and multimorbidity.

Sofosbuvir Inhibits Hepatitis E Virus Replication In Vitro and Results in an Additive Effect When Combined With Ribavirin.

Infection with hepatitis E virus genotype 3 may result in chronic hepatitis in immunocompromised patients. Reduction of immunosuppression or treatment with ribavirin or pegylated interferon-α can result in viral clearance. However, safer and more effective treatment options are needed. Here, we show that sofosbuvir inhibits the replication of hepatitis E virus genotype 3 both in subgenomic replicon systems as well as a full-length infectious clone. Moreover, the combination of sofosbuvir and ribavirin results in an additive antiviral effect. Sofosbuvir may be considered as an add-on therapy to ribavirin for the treatment of chronic hepatitis E in immunocompromised patients.

Alzheimer's disease-like APP processing in wild-type mice identifies synaptic defects as initial steps of disease progression.

BACKGROUND: Alzheimer's disease (AD) is the most frequent form of dementia in the elderly and no effective treatment is currently available. The mechanisms triggering AD onset and progression are still imperfectly dissected. We aimed at deciphering the modifications occurring in vivo during the very early stages of AD, before the development of amyloid deposits, neurofibrillary tangles, neuronal death and inflammation. Most current AD models based on Amyloid Precursor Protein (APP) overproduction beginning from in utero, to rapidly reproduce the histological and behavioral features of the disease within a few months, are not appropriate to study the early steps of AD development. As a means to mimic in vivo amyloid APP processing closer to the human situation in AD, we used an adeno-associated virus (AAV)-based transfer of human mutant APP and Presenilin 1 (PS1) genes to the hippocampi of two-month-old C57Bl/6 J mice to express human APP, without significant overexpression and to specifically induce its amyloid processing. RESULTS: The human APP, βCTF and Aβ42/40 ratio were similar to those in hippocampal tissues from AD patients. Three months after injection the murine Tau protein was hyperphosphorylated and rapid synaptic failure occurred characterized by decreased levels of both PSD-95 and metabolites related to neuromodulation, on proton magnetic resonance spectroscopy ((1)H-MRS). Astrocytic GLT-1 transporter levels were lower and the tonic glutamatergic current was stronger on electrophysiological recordings of CA1 hippocampal region, revealing the overstimulation of extrasynaptic N-methyl D-aspartate receptor (NMDAR) which precedes the loss of long-term potentiation (LTP). These modifications were associated with early behavioral impairments in the Open-field, Y-maze and Morris Mater Maze tasks. CONCLUSIONS: Altogether, this demonstrates that an AD-like APP processing, yielding to levels of APP, βCTF and Aβ42/Aβ40 ratio similar to those observed in AD patients, are sufficient to rapidly trigger early steps of the amyloidogenic and Tau pathways in vivo. With this strategy, we identified a sequence of early events likely to account for disease onset and described a model that may facilitate efforts to decipher the factors triggering AD and to evaluate early neuroprotective strategies.

Genomic insights into the Ixodes scapularis tick vector of Lyme disease.

Ticks transmit more pathogens to humans and animals than any other arthropod. We describe the 2.1 Gbp nuclear genome of the tick, Ixodes scapularis (Say), which vectors pathogens that cause Lyme disease, human granulocytic anaplasmosis, babesiosis and other diseases. The large genome reflects accumulation of repetitive DNA, new lineages of retro-transposons, and gene architecture patterns resembling ancient metazoans rather than pancrustaceans. Annotation of scaffolds representing ∼57% of the genome, reveals 20,486 protein-coding genes and expansions of gene families associated with tick-host interactions. We report insights from genome analyses into parasitic processes unique to ticks, including host 'questing', prolonged feeding, cuticle synthesis, blood meal concentration, novel methods of haemoglobin digestion, haem detoxification, vitellogenesis and prolonged off-host survival. We identify proteins associated with the agent of human granulocytic anaplasmosis, an emerging disease, and the encephalitis-causing Langat virus, and a population structure correlated to life-history traits and transmission of the Lyme disease agent.

Severe Cutaneous Leishmaniasis in a Human Immunodeficiency Virus Patient Coinfected with Leishmania braziliensis and Its Endosymbiotic Virus.

Leishmaniaparasites cause a broad range of disease, with cutaneous afflictions being, by far, the most prevalent. Variations in disease severity and symptomatic spectrum are mostly associated to parasite species. One risk factor for the severity and emergence of leishmaniasis is immunosuppression, usually arising by coinfection of the patient with human immunodeficiency virus (HIV). Interestingly, several species ofLeishmaniahave been shown to bear an endogenous cytoplasmic dsRNA virus (LRV) of theTotiviridaefamily, and recently we correlated the presence of LRV1 withinLeishmaniaparasites to an exacerbation murine leishmaniasis and with an elevated frequency of drug treatment failures in humans. This raises the possibility of further exacerbation of leishmaniasis in the presence of both viruses, and here we report a case of cutaneous leishmaniasis caused byLeishmania braziliensisbearing LRV1 with aggressive pathogenesis in an HIV patient. LRV1 was isolated and partially sequenced from skin and nasal lesions. Genetic identity of both sequences reinforced the assumption that nasal parasites originate from primary skin lesions. Surprisingly, combined antiretroviral therapy did not impact the devolution ofLeishmaniainfection. TheLeishmaniainfection was successfully treated through administration of liposomal amphotericin B.