HIV-1 drug resistance transmission networks in southwest Switzerland.

To determine viral subtypes and resistance mutations to antiretroviral treatment (ART) in untreated HIV-1 acutely infected subjects from Southwest Switzerland. Clinical samples were obtained from the HIV primary infection cohort from Lausanne. Briefly, pol gene was amplified by nested PCR and sequenced to generate a 1?kb sequence spanning protease and reverse transcriptase key protein regions. Nucleotide sequences were used to assess viral genotype and ART resistance mutations. Blood specimens and medical information were obtained from 30 patients. Main viral subtypes corresponded to clade B, CRF02_AG, and F1. Resistant mutations to PIs consisted of L10V and accessory mutations 16E and 60E present in all F1 clades. The NNRTI major resistant mutation 103N was detected in all F1 viruses and in other 2 clades. Additionally, we identified F1 sequences from other 6 HIV infected and untreated individuals from Southwest Switzerland, harboring nucleotide motifs and resistance mutations to ART as observed in the F1 strains from the cohort. These data reveal a high transmission rate (16.6%) for NNRTI resistant mutation 103N in a cohort of HIV acute infection. Three of the 5 resistant strains were F1 clades closely related to other F1 isolates from HIV-1 infection untreated patients also coming from Southwest Switzerland. Overall, we provide strong evidence towards an HIV-1 resistant transmission network in Southwest Switzerland. These findings have relevant implications for the local molecular mapping of HIV-1 and future ART surveillance studies in the region.

Common genetic variation and the control of HIV-1 in humans.

To extend the understanding of host genetic determinants of HIV-1 control, we performed a genome-wide association study in a cohort of 2,554 infected Caucasian subjects. The study was powered to detect common genetic variants explaining down to 1.3% of the variability in viral load at set point. We provide overwhelming confirmation of three associations previously reported in a genome-wide study and show further independent effects of both common and rare variants in the Major Histocompatibility Complex region (MHC). We also examined the polymorphisms reported in previous candidate gene studies and fail to support a role for any variant outside of the MHC or the chemokine receptor cluster on chromosome 3. In addition, we evaluated functional variants, copy-number polymorphisms, epistatic interactions, and biological pathways. This study thus represents a comprehensive assessment of common human genetic variation in HIV-1 control in Caucasians.

HIV-1 superinfection with a triple-class drug-resistant strain in a patient successfully controlled with antiretroviral treatment.

We report a case of HIV-1 superinfection (HSI) with a clade B, triple-class resistant virus in a patient successfully controlling viremia with continuous combination antiretroviral therapy started 8 years earlier during primary HIV infection. The course of HIV infection prior to HSI was monitored in both the source partner and recipient (8 and 11 years, respectively) and 4 years following HSI. This case report demonstrates re-infection with HIV-1 despite effective combination antiretroviral therapy.

HIV-1 vaccines and adaptive trial designs.

Developing a vaccine against the human immunodeficiency virus (HIV) poses an exceptional challenge. There are no documented cases of immune-mediated clearance of HIV from an infected individual, and no known correlates of immune protection. Although nonhuman primate models of lentivirus infection have provided valuable data about HIV pathogenesis, such models do not predict HIV vaccine efficacy in humans. The combined lack of a predictive animal model and undefined biomarkers of immune protection against HIV necessitate that vaccines to this pathogen be tested directly in clinical trials. Adaptive clinical trial designs can accelerate vaccine development by rapidly screening out poor vaccines while extending the evaluation of efficacious ones, improving the characterization of promising vaccine candidates and the identification of correlates of immune protection.

An inhibitor of HIV-1 protease modulates constitutive eIF2α dephosphorylation to trigger a specific integrated stress response.

Inhibitors of the HIV aspartyl protease [HIV protease inhibitors (HIV-PIs)] are the cornerstone of treatment for HIV. Beyond their well-defined antiretroviral activity, these drugs have additional effects that modulate cell viability and homeostasis. However, little is known about the virus-independent pathways engaged by these molecules. Here we show that the HIV-PI Nelfinavir decreases translation rates and promotes a transcriptional program characteristic of the integrated stress response (ISR). Mice treated with Nelfinavir display hallmarks of this stress response in the liver, including α subunit of translation initiation factor 2 (eIF2α) phosphorylation, activating transcription factor-4 (ATF4) induction, and increased expression of known downstream targets. Mechanistically, Nelfinavir-mediated ISR bypassed direct activation of the eIF2α stress kinases and instead relied on the inhibition of the constitutive eIF2α dephosphorylation and down-regulation of the phophatase cofactor CReP (Constitutive Repressor of eIF2α Phosphorylation; also known as PPP1R15B). These findings demonstrate that the modulation of eIF2α-specific phosphatase cofactor activity can be a rheostat of cellular homeostasis that initiates a functional ISR and suggest that the HIV-PIs could be repositioned as therapeutics in human diseases to modulate translation rates and stress responses.

Analysis of HIV-1 Vpr determinants responsible for cell growth arrest in Saccharomyces cerevisiae

Affiliation: Département de microbiologie et immunologie, Faculté de médecine, Université de Montréal

Manipulation of the ubiquitin-proteasome system by HIV-1 : role of the accessory protein Vpr

Le virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1), l’agent étiologique du SIDA, est un rétrovirus complexe arborant plusieurs protéines accessoires : Nef, Vif, Vpr, et Vpu. Celles-ci sont impliquées dans la modulation de la réplication virale, dans l’évasion immunitaire et dans la progression de la pathogenèse du SIDA. Dans ce contexte, il a été démontré que la protéine virale R (Vpr) induit un arrêt de cycle cellulaire en phase G2. Le mécanisme par lequel Vpr exerce cette fonction est l’activation, ATR (Ataxia telangiectasia and Rad3 related)-dépendante, du point de contrôle de dommage à l’ADN, mais les facteurs et mécanismes moléculaires directement impliqués dans cette activité demeurent inconnus. Afin d’identifier de nouveaux facteurs cellulaires interagissant avec Vpr, nous avons utilisé une purification d’affinité en tandem (TAP) pour isoler des complexes protéiques natifs contenant Vpr. Nous avons découvert que Vpr s’associait avec CRL4A(VprBP), un complexe cellulaire d’E3 ubiquitine ligase, comprenant les protéines Cullin 4A, DDB1 (DNA damage-binding protein 1) et VprBP (Vpr-binding protein). Nos études ont mis en évidence que le recrutement de la E3 ligase par Vpr était nécessaire mais non suffisant pour l’induction de l’arrêt de cycle cellulaire en G2, suggérant ainsi que des événements additionnels seraient impliqués dans ce processus. À cet égard, nous apportons des preuves directes que Vpr détourne les fonctions de CRL4A(VprBP) pour induire la polyubiquitination de type K48 et la dégradation protéosomale de protéines cellulaires encore inconnues. Ces événements d’ubiquitination induits par Vpr ont été démontrés comme étant nécessaire à l’activation d’ATR. Finalement, nous montrons que Vpr forme des foyers ancrés à la chromatine co-localisant avec VprBP ainsi qu’avec des facteurs impliqués dans la réparation de l’ADN. La formation de ces foyers représente un événement essentiel et précoce dans l’induction de l’arrêt de cycle cellulaire en G2. Enfin, nous démontrons que Vpr est capable de recruter CRL4A(VprBP) au niveau de la chromatine et nous apportons des preuves indiquant que le substrat inconnu ciblé par Vpr est une protéine associée à la chromatine. Globalement, nos résultats révèlent certains des ménanismes par lesquels Vpr induit des perturbations du cycle cellulaire. En outre, cette étude contribue à notre compréhension de la modulation du système ubiquitine-protéasome par le VIH-1 et son implication fonctionnelle dans la manipulation de l’environnement cellulaire de l’hôte.

HIV-1 Vpr up-regulates expression of ligands for the activating NKG2D receptor and promotes NK cell-mediated killing

HIV upregulates cell-surface expression of specific ligands for the activating NKG2D receptor, including ULBP-1, -2, -3, but not MICA or MICB, in infected cells both in vitro and in vivo. However, the viral factor(s) involved in NKG2D ligand expression still remains undefined. HIV-1 Vpr activates the DNA damage/stress-sensing ATR kinase and promotes G2 cell-cycle arrest, conditions known to upregulate NKG2D ligands. We report here that HIV-1 selectively induces cell-surface expression of ULBP-2 in primary CD4+ T-lymphocytes by a process that is Vpr-dependent. Importantly, Vpr enhanced the susceptibility of HIV-1-infected cells to NK cell-mediated killing. Strikingly, Vpr alone was sufficient to upregulate expression of all NKG2D ligands and thus promoted efficient NKG2D-dependent NK cell-mediated killing. Delivery of virion-associated Vpr via defective HIV-1 particles induced analogous biological effects in non-infected target cells, suggesting that Vpr may act similarly beyond infected cells. All these activities relied on Vpr ability to activate the ATR-mediated DNA damage/stress checkpoint. Overall, these results indicate that Vpr is a key determinant responsible for HIV-1-induced upregulation of NKG2D ligands and further suggest an immunomodulatory role for Vpr that may not only contribute to HIV-1-induced CD4+ T-lymphocyte depletion but may also take part in HIV-1-induced NK cell dysfunction.

HIV-1 Vpr induces the K48-linked polyubiquitination and proteasomal degradation of target cellular proteins to activate ATR and promote G2 arrest

HIV-1 viral protein R (Vpr) induces a cell cycle arrest at the G2/M phase by a mechanism involving the activation of the DNA damage sensor ATR. We and others recently showed that Vpr performs this function by subverting the activity of the DDB1-CUL4A (VPRBP) E3 ubiquitin ligase. Vpr could thus act as a connector between the E3 ligase and an unknown cellular factor whose ubiquitination would induce G2 arrest. While attractive, this model is solely based on the indirect observation that some mutants of Vpr retain their interaction with the E3 ligase but fail to induce G2 arrest. Using a tandem affinity purification approach, we observed that Vpr interacts with ubiquitinated cellular proteins and that this association requires the recruitment of an active E3 ligase given that depletion of VPRBP by RNA interference or overexpression of a dominant-negative mutant of CUL4A decreased this association. Importantly, G2-arrest-defective mutants of Vpr in the C-terminal putative substrate-interacting domain displayed decreased association with ubiquitinated proteins. We also found that inhibition of proteasomal activity increased this association and that the ubiquitin chains were at least in part constituted of classical K48 linkages. Interestingly, inhibition of K48 polyubiquitination specifically impaired Vpr-induced phosphorylation of H2AX, an early target of ATR, but did not affect UV-induced H2AX phosphorylation. Overall, our results provide direct evidence that association of Vpr with the DDB1-CUL4A (VPRBP) E3 ubiquitin ligase induces the K48-linked polyubiquitination of yet-unknown cellular proteins resulting in their proteasomal degradation and ultimately leading to activation of ATR and G2 arrest.

Antagonism of tetherin restriction of HIV-1 release by Vpu involves binding and sequestration of the restriction factor in a perinuclear compartment

The Vpu accessory protein promotes HIV-1 release by counteracting Tetherin/BST-2, an interferon-regulated restriction factor, which retains virions at the cell-surface. Recent reports proposed beta-TrCP-dependent proteasomal and/or endo-lysosomal degradation of Tetherin as potential mechanisms by which Vpu could down-regulate Tetherin cell-surface expression and antagonize this restriction. In all of these studies, Tetherin degradation did not, however, entirely account for Vpu anti-Tetherin activity. Here, we show that Vpu can promote HIV-1 release without detectably affecting Tetherin steady-state levels or turnover, suggesting that Tetherin degradation may not be necessary and/or sufficient for Vpu anti-Tetherin activity. Even though Vpu did not enhance Tetherin internalization from the plasma membrane (PM), it did significantly slow-down the overall transport of the protein towards the cell-surface. Accordingly, Vpu expression caused a specific removal of cell-surface Tetherin and a re-localization of the residual pool of Tetherin in a perinuclear compartment that co-stained with the TGN marker TGN46 and Vpu itself. This re-localization of Tetherin was also observed with a Vpu mutant unable to recruit beta-TrCP, suggesting that this activity is taking place independently from beta-TrCP-mediated trafficking and/or degradation processes. We also show that Vpu co-immunoprecipitates with Tetherin and that this interaction involves the transmembrane domains of the two proteins. Importantly, this association was found to be critical for reducing cell-surface Tetherin expression, re-localizing the restriction factor in the TGN and promoting HIV-1 release. Overall, our results suggest that association of Vpu to Tetherin affects the outward trafficking and/or recycling of the restriction factor from the TGN and as a result promotes its sequestration away from the PM where productive HIV-1 assembly takes place. This mechanism of antagonism that results in TGN trapping is likely to be augmented by beta-TrCP-dependent degradation, underlining the need for complementary and perhaps synergistic strategies to effectively counteract the powerful restrictive effects of human Tetherin.

The Role of Second Generation Antiretroviral Drugs in HIV-1 Subtype B and non-B Variants Harboring Natural Polymorphisms and Drug Resistance Mutations.

Cette thèse traite de la résistance du VIH-1 aux antirétroviraux, en particulier de l'activité antivirale de plusieurs inhibiteurs non nucléosidiques de la transcriptase inverse (INNTI) ainsi que des inhibiteurs de protéase (IP). Nous avons exploré l’émergence et la spécificité des voies de mutations qui confèrent la résistance contre plusieurs nouveaux INNTI (étravirine (ETR) et rilpivirine (RPV)) (chapitres 2 et 3). En outre, le profil de résistance et le potentiel antirétroviral d'un nouvel IP, PL-100, est présenté dans les chapitres 4 et 5. Pour le premier projet, nous avons utilisé des sous-types B et non-B du VIH-1 pour sélectionner des virus résistants à ETR, et ainsi montré que ETR favorise l’émergence des mutations V90I, K101Q, E138K, V179D/E/F, Y181C, V189I, G190E, H221H/Y et M230L, et ce, en 18 semaines. Fait intéressant, E138K a été la première mutation à émerger dans la plupart des cas. Les clones viraux contenant E138K ont montré un faible niveau de résistance phénotypique à ETR (3,8 fois) et une diminution modeste de la capacité de réplication (2 fois) par rapport au virus de type sauvage. Nous avons également examiné les profils de résistance à ETR et RPV dans les virus contenant des mutations de résistance aux INNTI au début de la sélection. Dans le cas du virus de type sauvage et du virus contenant la mutation unique K103N, les premières mutations à apparaître en présence d’ETR ou de RPV ont été E138K ou E138G suivies d’autres mutations de résistance aux INNTI. À l’inverse, dans les mêmes conditions, le virus avec la mutation Y181C a évolué pour produire les mutations V179I/F ou A62V/A, mais pas E138K/G. L'ajout de mutations à la position 138 en présence de Y181C n'augmente pas les niveaux de résistance à ETR ou RPV. Nous avons également observé que la combinaison de Y181C et E138K peut conduire à un virus moins adapté par rapport au virus contenant uniquement Y181C. Sur la base de ces résultats, nous suggérons que les mutations Y181C et E138K peuvent être antagonistes. L’analyse de la résistance au PL-100 des virus de sous-type C et CRF01_AE dans les cellules en culture est décrite dans le chapitre 4. Le PL-100 sélectionne pour des mutations de résistance utilisant deux voies distinctes, l'une avec les mutations V82A et L90M et l'autre avec T80I, suivi de l’addition des mutations M46I/L, I54M, K55R, L76F, P81S et I85V. Une accumulation d'au moins trois mutations dans le rabat protéique et dans le site actif est requise dans chaque cas pour qu’un haut niveau de résistance soit atteint, ce qui démontre que le PL-100 dispose d'une barrière génétique élevée contre le développement de la résistance. Dans le chapitre 5, nous avons évalué le potentiel du PL-100 en tant qu’inhibiteur de protéase de deuxième génération. Les virus résistants au PL-100 émergent en 8-48 semaines alors qu’aucune mutation n’apparaît avec le darunavir (DRV) sur une période de 40 semaines. La modélisation moléculaire montre que la haute barrière génétique du DRV est due à de multiples interactions avec la protéase dont des liaison hydrogènes entre les groupes di-tétrahydrofuranne (THF) et les atomes d'oxygène des acides aminés A28, D29 et D30, tandis que la liaison de PL-100 est principalement basée sur des interactions polaires et hydrophobes délocalisées à travers ses groupes diphényle. Nos données suggèrent que les contacts de liaison hydrogène et le groupe di-THF dans le DRV, ainsi que le caractère hydrophobe du PL-100, contribuent à la liaison à la protéase ainsi qu’à la haute barrière génétique contre la résistance et que la refonte de la structure de PL-100 pour inclure un groupe di-THF pourrait améliorer l’activité antivirale et le profil de résistance.

Transcriptional regulation of effector CD8+ T cell differentiation and molecular dysfunction during HIV-1 infection

Les cellules T CD8+ jouent un rôle primordial dans le contrôle des infections virales en limitant la dissémination des cellules infectées. Lors de l’infection chronique par le virus HIV, les cellules T CD8+ HIV-spécifiques ne se différencient pas en cellules effectrices fonctionnelles capables de tuer les cellules infectées par le virus ; ces cellules ne sont plus capables de proliférer ou de produire l’ IL-2. Ces cellules expriment PD-1 et l’engagement de PD-1, par son ligand, aboutit a plusieurs de ces déficits fonctionnels des cellules T . Le rôle de PD-1 dans la régulation d'évènements transcriptionnels contrôlant la différentiation et l'obtention des fonction effectrices des cellules T CD8+ reste à démontrer. Id2 joue un rôle central dans la différenciation des cellules T CD8+ effectrices. Nous avons émis l’hypothèse que le défaut de maturation observé chez les cellules T CD8+ PD-1 high HIV-spécifiques (CD8+PD-1hi) au cours de l’infection chronique par le virus HIV pouvait être lié à la diminution d’expression du régulateur Id2. Nous avons ainsi démontré que l'engagement de PD-1 contribuait à une diminution d'expression de Id2 et de ses cibles transcriptionnelles. La surexpression de Id2 de ces cellules a permis de restaurer l'expression de marqueurs tels que Granzyme B et Bcl-2 et diminuir l’expression du marqueur de maturation de CD27. La famille des cytokines à chaine gamma joue un rôle clef dans la survie et l’homéostasie des cellules T. Dans ce travail, nous avons démontré que l’IL-15 était unique grâce à ses capacités de stimulation de l’expression d’Id2 et ses propriétés favorisant la survie ainsi que la différenciation des cellules T CD8+ effectrices. l’IL-15 induit la prolifération de toutes les populations de cellules T mémoires provenant de donneurs sains. L’addition de cette cytokine aux sous-populations cellulaires Ttm et Tem a permis leur différenciation en cellules effectrices capables de produire Granzyme B alors que la stimulation par l’IL-15 des cellules Tcm ne favorise pas leur différenciation. Un test de cytotoxicitié par cytométrie en flux nous a permis de confirmer que la stimulation de cellules T CD8+ HIV spécifiques par l’IL-15 favorisait l’expression de Id2 et restaurait les fonctions cytotoxiques des cellules T CD8+ HIV spécifiques. En conclusion, nous avons pour la première fois dans cette thèse défini les mécanismes moléculaires impliqués dans la modulation de l’expression du régulateur transcriptionnel Id2 par l’IL-15. Nous avons également révélé comment l’engagement de PD-1 conduisait a une altération de l’expression et de la fonction d’Id2 et favorisait la diminution des fonctions effectrices des cellules T CD8-HIV spécifiques. Une perspective de traitement avec des agents tels que l’IL-15 ou le bloquage de PD-1, en combinaison avec les traitements conventionnels, pourrait contribuer à une meilleure stimulation des réponses immunes favorisant ainsi la réactivation des cellules T CD8+ et permettant la destruction de cellules T CD4+ infectées de manière latente.

Endogene Immunstimulation durch zelluläre DNA bei HIV-1 Infektionen

Endogene Gefahrensignale, die das Immunsystem aktivieren, sind ein neues Konzept der Immunbiologie. Sie spielen eine Rolle für eine Vielzahl von viralen und bakteriellen Erkrankungen und werden als massgebliche Ursache für eine Reihe von Autoimmunerkrankungen diskutiert. Diese Arbeit testet die Hypothese, dass fragmentierte mitochondriale DNA (mtDNA) immunstimulatorische DNA-Motive beinhaltet, die in der Lage sind, eine Immunantwort durch plasmazytoide dendritische Zellen (PDC, engl. plasmacytoid dendritic cells) zu vermitteln. Daher wurden mtDNA und genomische DNA aus mononukleären Zellen des peripheren Bluts (PBMC, engl. peripheral blood mononuclear cells) und Thrombozyten isoliert. Diese DNA-Spezies wurde mithilfe des liposomalen Transfektionsreagenzes DOTAP in PBMC transfiziert und die Immunaktivierung anhand des Interferon-alpha Spiegels im Zellkulturüberstand gemessen. Beide DNA-Spezies induzierten eine vergleichbare Interferon-Produktion. Eine Verkürzung der mtDNA zu CpG-Inseln verstärkte die immunstimulatorische Kapazität, abhängig vom Vorhandensein unmethylierter CpG-Motive. Die Komplexierung der CpG-Inseln mit dem humanem Cathelicidin LL-37 führte auch ohne DOTAP Transfektion zu einer Interferon-Antwort. Ein weiteres Verkürzen der mtDNA zu mitochondrialen Oligodeoxynukleotiden (mtODN) mit Sequenz- und Strukturähnlichkeiten zu kommerziellen CpG-ODN, lieferte Sequenzen mit starker Interferon-Induktion und der Fähigkeit, PDC zu maturieren und migrieren. Insbesondere waren zwei mtODN mit Doppelpalindromstruktur in der Lage, PDC spontan ohne Transfektion oder als Immunkomplex zu aktivieren. Durchflusszytometrie, Lebendzell- und konfokale Laserscanningmikroskopie zeigte die Anheftung und Aufnahme eines der mtODN in endosomale Kompartimente und Kolokalisation mit TLR9. Auch konnte eine schwache aber signifikante PDC-, B-Zell- und NK-Zell-Aktivierung durch dieses ODN gezeigt werden. Zusammengefaßt deuten unsere Daten darauf hin, dass fragmentierte mitochondriale DNA aus apoptotischen oder nekrotischen Zellen als Gefahrensignal für das Immunsystem fungieren kann und so über Stimulation von PDC zur akuten oder chronischen Immunaktivierung und damit zur Immunpathogenese von HIV-Infektionen beitragen kann.