Virus-Wirt-Interaktionen bei Hepatitis-B-Virus-Infektionen: Die Rolle von Gamma2-Adaptin

Mit etwa 350 Millionen chronisch-infizierten Menschen gehört die Hepatitis-B neben der Tuberkulose und AIDS zu den häufigsten Infektionskrankheiten der Welt. Der einzig sichere Schutz vor dem bis zur Leberzirrhose persistierenden Virus bietet eine vorbeugende Impfung. Eine angemessene Therapie chronisch-erkrankter Patienten ist durch die Unkenntnis über viele Bereiche des HBV-Lebenszyklus nur eingeschränkt möglich. Gegenstand dieser Arbeit war vor allem etwas Licht in das Wechselspiel zwischen HBV und der Wirtszelle zu bringen und zelluläre Komponenten und Mechanismen zu identifizieren, die am Sortierungs- und Transportmechanismus viraler Substrukturen zur sogenannten Assembly-Plattform beteiligt sind, um dort die Freisetzung des Virus zu initiieren. Mit der vorliegenden Arbeit habe ich Methoden der Zellbiologie, Mikrobiologie, Molekularbiologie und Virologie vereint, um neue Einblicke in den HBV-Lebenszyklus zu gewinnen. Für die Ausschleusung von HBV wird seither der konstitutive Weg der Sekretion angenommen. In Anlehnung an den Mechanismus umhüllter RNA-Viren kann die Hypothese aufgestellt werden, dass das MVB (Multivesicular Body) im Prozess der HBV-Freisetzung beteiligt sein könnte. Die Freisetzung des Hepatitis-B-Virus aus einer infizierten Zelle ist ein streng organisierter Prozess, der sowohl das HBV-Coreprotein als auch die HBV-Hüllproteine zu benötigen scheint. (max. 5.000 Zeichen)Inhaltszusammenfassung in einer weiteren Sprache deutschenglischfranzösischrussischmehrsprachigsonst.Ausgangspunkt der Arbeit war eine spezifische Interaktion des großen HBV-Hüllproteins (L) mit einem neuen Mitglied der Adaptor-Protein-Komplex-Familie (AP-Komplex), dem g2?Adaptin (Hartmann-Stühler und Prange, 2001), das mutmaßlich an endosomalen Sortierungs- und Transportprozessen beteiligt ist. In Analogie zur Funktionsweise von Adaptin-Molekülen wurde vom g2-Adaptin eine Rolle in der Initiation und Steuerung der Sprossung und Freisetzung von HBV vermutet. Die im Rahmen dieser Arbeit erweiterte Charakterisierung der g2/L-Interaktion zeigte zum einen, dass die Ohrdomäne des Adaptins für die Interaktion essentiell ist und zum anderen, dass die Rekrutierung des Adaptins durch das L-Protein zu cis-Golgi-Strukturen innerhalb kleiner Transportvesikel entlang des Nukleus (perinukleär) erfolgt. Erste Ergebnisse dieser Arbeit deuteten bereits an, dass das virale Coreprotein mit demselben Adaptorprotein zu interagieren vermag. Für die g2/Core-Interaktion erwies sich in Folgearbeiten die Kopfregion des g2-Adaptins als die entscheidende Bindungsdomäne (Rost et al., 2006). Sowohl eine funktionelle Inaktivierung des g2-Adaptins durch RNA-Interferenz als auch eine g2-Adaptin- Überexpression störten die Virusmontage in späten Phasen der Morphogenese. Während ein g2-Adaptin-Überschuss die HBV-Produktion indirekt durch die Induktion dysfunktioneller endosomaler Kompartimente blockierte, verhinderte der siRNA-induzierte g2-Adaptin-Verlust die späte Ausschleusung des Virus aus der Zelle. Das Silencing von g2-Adaptin zeigte dabei weder einen Einfluss auf endosomale Strukturen noch auf die Freisetzung subviraler Partikel (Viren ohne Genom). Demzufolge scheinen sich die Mechanismen der Produktion von subviralen und viralen HBV-Partikeln bezüglich ihrer Anforderungen an Zellfunktionen und Transportwegen deutlich voneinander zu unterscheiden. Es konnten erste Hinweise darauf gefunden werden, dass die Virusmontage an endosomalen Kompartimenten (zum Beispiel dem MVB) erfolgen könnte, was durch bereits weitergeführte Untersuchungen bestätigt werden konnte (Lambert et al., J Virol, epub ahead of print). Darüber hinaus ist inzwischen bekannt, dass das Hepatitis-B-Virus für den Zusammenbau und die Freisetzung nicht nur das Adaptor-verwandte g2-Adaptin, sondern auch die endosomale Ubiquitin Ligase Nedd4, wahrscheinlich in Zusammenhang mit Ubiquitin selbst (Rost et al., 2006), benötigt. Eine Untersuchung dieser weiterführenden Aspekte war jedoch nicht mehr Inhalt dieser Arbeit. Insgesamt weisen die Daten darauf hin, dass die Sortierung und der Transport der Substrukturen des Hepatitis-B-Virus durch den MVB-Komplex zu erfolgen scheint. Dabei könnte das g2-Adaptin mit Hilfe einer Reihe von Kofaktoren (wie zum Beispiel Nedd4, Ubiquitin, etc.) eine entscheidende Rolle an der Sortierung und Anbindung des viralen L- und Coreproteins an die Assembly-Plattform spielen. Doch der genaue Mechanismus, welcher große Ähnlichkeit mit dem umhüllter RNA-Viren (wie zum Beispiel HIV-1) aufweist, bleibt noch ungeklärt. Ob weitere zelluläre Kofaktoren an der HBV-Sprossung und Freisetzung beteiligt sind, bleibt ebenfalls unbekannt und bedarf weiterer Untersuchungen.

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.

Studio dell'interazione di HIV-1 sulle cellule progenitrici ematopoietiche CD34+ (HPCs)

Oltre alla progressiva perdita dei linfociti T CD4, i pazienti HIV-infetti presentano diverse citopenie periferiche. In particolare l’anemia si riscontra nel 10% dei pazienti asintomatici e nel 92% di quelli con AIDS e la terapia cART non è in grado di risolvere tale problematica. I meccanismi patogenetici alla base di questa citopenia si ritiene che possano riguardare la deregolazione citochinica, il danno alle HPCs, alle cellule in differenziamento e alle cellule stromali. Le cellule progenitrici ematopoietiche CD34+, dopo essere state separate da sangue cordonale e differenziate verso la linea eritroide, sono state trattate con HIV-1 attivo, inattivato al calore e gp120. In prima istanza è stata messa in luce la mancata suscettibilità all’infezione e l’aumento dell’ apoptosi dovuto al legame gp120-CD4/CXCR4 e mediato dal TGF-β1 nelle cellule progenitrici indifferenziate. L’aspetto innovativo di questo studio però si evidenzia esaminando l’effetto di gp120 durante il differenziamento verso la filiera eritrocitaria. Sono stati utilizzati due protocolli sperimentali: nel primo le cellule sono inizialmente trattate per 24 ore con gp120 (o con HIV-1 inattivato al calore) e poi indotte in differenziamento, nel secondo vengono prima differenziate e poi trattate con gp120. Il “priming” negativo determina una apoptosi gp120-indotta molto marcata già dopo 48 ore dal trattamento ed una riduzione del differenziamento. Se tali cellule vengono invece prima differenziate per 24 ore e poi trattate con gp120, nei primi 5 giorni dal trattamento, è presente un aumento di proliferazione e differenziamento, a cui segue un brusco arresto che culmina con una apoptosi molto marcata (anch’essa dipendente dal legame gp120-CD4 e CXCR4 e TGF-β1 dipendente) e con una drastica riduzione del differenziamento. L’insieme dei risultati ha permesso di definire in modo consistente la complessità della genesi dell’anemia in questi pazienti e di poter suggerire nuovi target terapeutici in questi soggetti, già sottoposti a cART.

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.

Synthese und Testung potentieller Elongin-C-Antagonisten als neuartige HIV-Therapeutika

Weltweit sind über 34 Millionen Menschen mit dem HI-Virus infiziert. Da die Behandlung mit der HAART-Therapie aufgrund der hohen Mutationsrate des Virus oft fehlschlägt, ist die stetige Forschung an neuen, verbesserten Wirkstoffen zwingend nötig. Mit einem neuartigen Therapieansatz, der die Aufrechterhaltung des menschlichen antiretroviralen Schutz-mechanismus durch Hemmung des APOBEC3G-Abbaus zum Ziel hat, existiert eine neue Möglichkeit zur Bekämpfung der Infektion. Im Gegensatz zu den HAART-Virustatika soll hier das menschliche Immunsystem aufrechterhalten werden, sodass es die Abwehr des Virus selbst übernehmen kann. Der durch das Virus induzierte Abbau von APOBEC3G ist gekoppelt an die Bildung eines Komplexes aus mehreren Proteinen, darunter das virale Protein vif (viral infectivity factor) und das humane Protein Elongin–C. Wird eine der Interaktionen dieser Komplexbildung gehemmt, so kann APOBEC3G nicht mehr abgebaut werden und der humane Schutzmechanismus bleibt aufrechterhalten.rnDie vorliegende Arbeit widmete sich in diesem Zusammenhang der Suche nach Inhibitoren der vif-Elongin–C-Interaktion. Nach Dockingstudien wurden potentielle Kandidaten synthetisiert und anschließend zunächst mit Hilfe der Mikrokalorimetrie (ITC) und der Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) auf ihre Affinität zu rekombinant exprimiertem Elongin–C getestet. Zusätzlich wurde ein auf der Mikroskalierten Thermo-phorese (MST) basierender Bindungsassay etabliert, und die Substanzen auch mit dieser Methode getestet. Während die Bindung in diesen Assays nicht eindeutig nachgewiesen werden konnte, zeigte sich eine Substanz in In-vitro-Tests auf Hemmung der APOBEC3G- und vif-abhängigen Virusreplikation als sehr vielversprechend. Auch wenn der genaue molekulare Wirkort in weiteren Tests erst noch ermittelt werden muss, stellt diese Molekülstruktur aufgrund der bisherigen Testergebnisse bereits eine vielversprechende Basis für weitere Derivatisierungen dar.rn

Impact of single nucleotide polymorphisms and of clinical risk factors on new-onset diabetes mellitus in HIV-infected individuals

Background. Metabolic complications, including cardiovascular events and diabetes mellitus (DM), are a major long-term concern in human immunodeficienc virus (HIV)-infected individuals. Recent genome-wide association studies have reliably associated multiple single nucleotide polymorphisms (SNPs) to DM in the general population. Methods. We evaluated the contribution of 22 SNPs identifie in genome-wide association studies and of longitudinally measured clinical factors to DM. We genotyped all 94 white participants in the Swiss HIV Cohort Study who developed DM from 1 January 1999 through 31 August 2009 and 550 participants without DM. Analyses were based on 6054 person-years of follow-up and 13,922 measurements of plasma glucose. Results. The contribution to DM risk explained by SNPs (14% of DM variability) was larger than the contribution to DM risk explained by current or cumulative exposure to different antiretroviral therapy combinations (3% of DM variability). Participants with the most unfavorable genetic score (representing 12% and 19% of the study population, respectively, when applying 2 different genetic scores) had incidence rate ratios for DM of 3.80 (95% confidenc interval [CI], 2.05–7.06) and 2.74 (95% CI, 1.53–4.88), respectively, compared with participants with a favorable genetic score. However, addition of genetic data to clinical risk factors that included body mass index only slightly improved DM prediction. Conclusions. In white HIV-infected persons treated with antiretroviral therapy, the DM effect of genetic variants was larger than the potential toxic effects of antiretroviral therapy. SNPs contributed significantl to DM risk, but their addition to a clinical model improved DM prediction only slightly, similar to studies in the general population.

Frequency and determinants of unprotected sex among HIV-infected persons: the Swiss HIV cohort study

Access to antiretroviral therapy may have changed condom use behavior. In January 2008, recommendations on condom use for human immunodeficiency virus (HIV)-positive persons were published in Switzerland, which allowed for unprotected sex under well-defined circumstances ("Swiss statement"). We studied the frequency, changes over time, and determinants of unprotected sex among HIV-positive persons.

Is it safe to discontinue primary Pneumocystis jiroveci pneumonia prophylaxis in patients with virologically suppressed HIV infection and a CD4 cell count <200 cells/microL?

Current guidelines suggest that primary prophylaxis for Pneumocystis jiroveci pneumonia (PcP) can be safely stopped in human immunodeficiency virus (HIV)-infected patients who are receiving combined antiretroviral therapy (cART) and who have a CD4 cell count >200 cells/microL. There are few data regarding the incidence of PcP or safety of stopping prophylaxis in virologically suppressed patients with CD4 cell counts of 101-200 cells/microL.

Molecular epidemiology reveals long-term changes in HIV type 1 subtype B transmission in Switzerland

Sequence data from resistance testing offer unique opportunities to characterize the structure of human immunodeficiency virus (HIV) infection epidemics.

Treatment modification in human immunodeficiency virus-infected individuals starting combination antiretroviral therapy between 2005 and 2008

Adverse effects of combination antiretroviral therapy (CART) commonly result in treatment modification and poor adherence.

Tuberculosis in HIV programmes in lower-income countries: practices and risk factors

BACKGROUND: Tuberculosis (TB) is a common diagnosis in human immunodeficiency virus (HIV) infected patients on antiretroviral treatment (ART). OBJECTIVE: To describe TB-related practices in ART programmes in lower-income countries and identify risk factors for TB in the first year of ART. METHODS: Programme characteristics were assessed using standardised electronic questionnaire. Patient data from 2003 to 2008 were analysed and incidence rate ratios (IRRs) calculated using Poisson regression models. RESULTS: Fifteen ART programmes in 12 countries in Africa, South America and Asia were included. Chest X-ray, sputum microscopy and culture were available free of charge in respectively 13 (86.7%), 14 (93.3%) and eight (53.3%) programmes. Eight sites (53.3%) used directly observed treatment and five (33.3%) routinely administered isoniazid preventive treatment (IPT). A total of 19 413 patients aged ≥16 years contributed 13 227 person-years of follow-up; 1081 new TB events were diagnosed. Risk factors included CD4 cell count (>350 cells/μl vs. <25 cells/μl, adjusted IRR 0.46, 95%CI 0.33–0.64, P < 0.0001), sex (women vs. men, adjusted IRR 0.77, 95%CI 0.68–0.88, P = 0.0001) and use of IPT (IRR 0.24, 95%CI 0.19–0.31, P < 0.0001). CONCLUSIONS: Diagnostic capacity and practices vary widely across ART programmes. IPT prevented TB, but was used in few programmes. More efforts are needed to reduce the burden of TB in HIV co-infected patients in lower income countries.

Antiretroviral therapy for prevention of HIV transmission in HIV-discordant couples

Antiretroviral drugs have been shown to reduce risk of mother-to-child transmission of human immunodeficiency virus (HIV) and are also widely used for post-exposure prophylaxis for parenteral and sexual exposures. Observational data, ecological studies and models suggest that sexual transmission may be lower in couples in which one partner is infected with HIV and the other is not and the infected partner is on antiretroviral therapy (ART).

Antiretroviral therapy for prevention of HIV transmission in HIV-discordant couples

Antiretroviral drugs have been shown to reduce risk of mother-to-child transmission of human immunodeficiency virus (HIV) and are also widely used for post-exposure prophylaxis for parenteral and sexual exposures. Observational data, ecological studies and models suggest that sexual transmission may be lower in couples in which one partner is infected with HIV and the other is not and the infected partner is on antiretroviral therapy (ART).

Phosphatidylethanol (PEth) as a Biomarker of Alcohol Consumption in HIV-Positive Patients in Sub-Saharan Africa

Background:  Alcohol is heavily consumed in sub-Saharan Africa and affects HIV transmission and treatment and is difficult to measure. Our goal was to examine the test characteristics of a direct metabolite of alcohol consumption, phosphatidylethanol (PEth). Methods:  Persons infected with HIV were recruited from a large HIV clinic in southwestern Uganda. We conducted surveys and breath alcohol concentration (BRAC) testing at 21 daily home or drinking establishment visits, and blood was collected on day 21 (n = 77). PEth in whole blood was compared with prior 7-, 14-, and 21-day alcohol consumption. Results:  (i) The receiver operator characteristic area under the curve (ROC-AUC) was highest for PEth versus any consumption over the prior 21 days (0.92; 95% confidence interval [CI]: 0.86 to 0.97). The sensitivity for any detectable PEth was 88.0% (95% CI: 76.0 to 95.6) and the specificity was 88.5% (95% CI: 69.8 to 97.6). (ii) The ROC-AUC of PEth versus any 21-day alcohol consumption did not vary with age, body mass index, CD4 cell count, hepatitis B virus infection, and antiretroviral therapy status, but was higher for men compared with women (p = 0.03). (iii) PEth measurements were correlated with several measures of alcohol consumption, including number of drinking days in the prior 21 days (Spearman r = 0.74, p < 0.001) and BRAC (r = 0.75, p < 0.001). Conclusions:  The data add support to the body of evidence for PEth as a useful marker of alcohol consumption with high ROC-AUC, sensitivity, and specificity. Future studies should further address the period and level of alcohol consumption for which PEth is detectable.

How HIV takes advantage of the cytoskeleton in entry and replication

The host cell cytoskeleton plays a key role in the life cycle of viral pathogens whose propagation depends on mandatory intracellular steps. Accordingly, also the human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) has evolved strategies to exploit and modulate in particular the actin cytoskeleton for its purposes. This review will recapitulate recent findings on how HIV-1 hijacks the cytoskeleton to facilitate entry into, transport within and egress from host cells as well as to commandeer communication of infected with uninfected bystander cells.