Mécanismes de résistance aux inhibiteurs de CCR5

Le travail décrit dans ce manuscrit vise à caractériser les voies de résistance aux inhibiteurs de CCR5. Lors d’une première étape, nous avons développé un test phénotypique clonal nous permettant d’une part d’identifier le tropisme viral et d’autre part de mesurer la résistance aux inhibiteurs des CCR5. Des virus à tropisme R5 ou X4 représentant aussi peu que 0,4% d’un mélange de populations virales sont détectables par ce test, démontrant ainsi sa sensibilité. De plus, grâce à son approche clonale, cette technique permet de différencier les virus à tropisme double de populations virales mixtes. Par la suite, nous avons étudié l’impact des mutations dans les régions variables de la protéine gp120 de l’enveloppe du virus VIH-1 sur la résistance aux inhibiteurs de CCR5. Pour ce faire, nous avons généré des virus résistants par passage des isolats CC1/85 et BAL, en présence de concentrations sous-inhibitrices de maraviroc (MVC) et vicriviroc (VCV). Après quelques passages du virus CC1/85 en présence de MVC, certaines sont apparues dans differentes régions de la gp120. Par la suite, nous avons sélectionné trois mutations dans les domaines variables de la gp 120, V169M en V2, L317W en V3 et I408T en V4 pour construire des virus contenant des mutations simples, doubles et triples afin d’évaluer la contribution des mutations individuelles ou combinées au phénotype de résistance. Nous avons déterminé la sensibilité de chaque mutant à MVC et VCV, le pourcentage d’infectivité et le tropisme viral par rapport au phénotype sauvage. Tous les mutants ont conservé le tropisme R5 et ont montré une diminution d’infectivité par rapport au contrôle. Nos résultats ont montré que les mutants qui portent des mutations en V4 (I408T) ont eu le plus d'impact sur la susceptibilité au MVC. Finalement, nous avons voulu évaluer l’activité antivirale d’un nouvel inhibiteur de CCR5, VCH-286 avec d’autres inhibiteurs de CCR5 tels que MVC et VVC ainsi que ses interactions avec des médicaments représentatifs de différentes classes d’antirétroviraux ARV employés en clinique pour traiter le HIV/SIDA., afin d’évaluer si ces médicaments pourraient être utilisés dans un même régime thérapeutique. Nous avons tout d’abord évalué indépendamment l’activité antivirale des trois inhibiteurs de CCR5 : VCH-286, MVC et VVC. Par la suite nous avons évalué les interactions de VCH-286 avec MVC et VVC. Finalement nous avons évalué les interactions de VCH-286 avec d’autres médicaments antirétroviraux. Ces études ont montré que VCH-286 est un inhibiteur puissant de CCR5 avec une activité antivirale in vitro de l’ordre du nanomolaire et des interactions médicamenteuses favorables avec la majorité des ARV tels que les inhibiteurs de transcriptase inverse, de protéase, d’intégrase, et de fusion employés en clinique pour traiter le VIH/SIDA et des interactions allant de synergie à l'antagonisme avec les inhibiteurs de CCR5. Nos résultats montrent que la plasticité de l’enveloppe virale du VIH-1 a des répercussions sur la résistance aux inhibiteurs de CCR5, le tropisme et la possible utilisation de ces molécules en combinaison avec d’autres molécules appartenant à la même classe.

Entrée des rétrovirus humains : caractérisation moléculaire de la neuropiline-1, co-facteur à l'entrée de HTLV-1, et inhibition d'entrée du VIH-1 par CCR5

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Entrée des rétrovirus humains : caractérisation moléculaire de la neuropiline-1, co-facteur à l'entrée de HTLV-1, et inhibition d'entrée du VIH-1 par CCR5

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude du rôle des régions variables 4 et 5 dans les changements de conformation de la gp120 du VIH-1

Le VIH infecte les cellules par fusion de sa membrane avec la membrane de la cellule cible. Cette fusion est effectuée par les glycoprotéines de l'enveloppe (Env) qui sont synthétisées en tant que précurseur, gp160, qui est ensuite clivé en gp120 et gp41. La protéine gp41 est la partie transmembranaire du complexe de l'enveloppe et l’ancre à la particule virale alors que la gp120 assure la liaison au récepteur cellulaire CD4 et corécepteur CCR5 ou CXCR4. Ces interactions successives induisent des changements de conformation d’Env qui alimentent le processus d'entrée du virus conduisant finalement à l'insertion du peptide de fusion de la gp41 dans la membrane de la cellule cible. La sous-unité extérieure gp120 contient cinq régions variables (V1 à V5), dont trois (V1, V2 et V3) étant capables d’empêcher l’adoption spontanée de la conformation liée à CD4. Cependant, le rôle de régions variables V4 et V5 vis-à-vis de ces changements de conformation reste inconnu. Pour étudier leur effet, des mutants de l'isolat primaire de clade B YU2, comprenant une délétion de la V5 ou une mutation au niveau de tous les sites potentiels de N-glycosylation de la V4 (PNGS), ont été générés. L'effet des mutations sur la conformation des glycoprotéines d'enveloppe a été analysé par immunoprécipitation et résonance de plasmon de surface avec des anticorps dont la liaison dépend de la conformation adopté par la gp120. Ni le retrait des PNGS de la V4 ni la délétion de V5 n’a affecté les changements conformationnels d’Env tels que mesurés par ces techniques, ce qui suggère que les régions variables V1, V2 et V3 sont les principaux acteurs dans la prévention de l’adoption de la conformation lié de CD4 d’Env.

Étude du rôle des régions variables 4 et 5 dans les changements de conformation de la gp120 du VIH-1

Le VIH infecte les cellules par fusion de sa membrane avec la membrane de la cellule cible. Cette fusion est effectuée par les glycoprotéines de l'enveloppe (Env) qui sont synthétisées en tant que précurseur, gp160, qui est ensuite clivé en gp120 et gp41. La protéine gp41 est la partie transmembranaire du complexe de l'enveloppe et l’ancre à la particule virale alors que la gp120 assure la liaison au récepteur cellulaire CD4 et corécepteur CCR5 ou CXCR4. Ces interactions successives induisent des changements de conformation d’Env qui alimentent le processus d'entrée du virus conduisant finalement à l'insertion du peptide de fusion de la gp41 dans la membrane de la cellule cible. La sous-unité extérieure gp120 contient cinq régions variables (V1 à V5), dont trois (V1, V2 et V3) étant capables d’empêcher l’adoption spontanée de la conformation liée à CD4. Cependant, le rôle de régions variables V4 et V5 vis-à-vis de ces changements de conformation reste inconnu. Pour étudier leur effet, des mutants de l'isolat primaire de clade B YU2, comprenant une délétion de la V5 ou une mutation au niveau de tous les sites potentiels de N-glycosylation de la V4 (PNGS), ont été générés. L'effet des mutations sur la conformation des glycoprotéines d'enveloppe a été analysé par immunoprécipitation et résonance de plasmon de surface avec des anticorps dont la liaison dépend de la conformation adopté par la gp120. Ni le retrait des PNGS de la V4 ni la délétion de V5 n’a affecté les changements conformationnels d’Env tels que mesurés par ces techniques, ce qui suggère que les régions variables V1, V2 et V3 sont les principaux acteurs dans la prévention de l’adoption de la conformation lié de CD4 d’Env.

Etude des inhibiteurs d'entrée de CXCR4 : corécepteur d'entrée du virus de l'immunodéficience humaine.

L’entrée virale du VIH-1 dans ses cellules cibles constitue une cible thérapeutique de choix. À l’heure actuelle, un inhibiteur de fusion et un inhibiteur ciblant le corécepteur CCR5 sont utilisés en thérapie. Dans notre étude, notre objectif était d’évaluer le profil antiviral et fonctionnel de plusieurs types moléculaires envisagés comme inhibiteurs d’entrée du corécepteur CXCR4, soient : 1) de dérivés peptidiques mimant des portions du récepteur 2) de dérivés peptidiques issus du ligand naturel de CXCR4, le SDF-1 et 3) de dérivés du puissant inhibiteur de faible poids moléculaire, le T140. Notre recherche se concentrait sur la mise au point de molécules capables d’inhiber l’entrée du VIH en ciblant sélectivement le corécepteur CXCR4 tout en conservant les fonctions naturelles de ce dernier. Parmi les molécules testées, certaines possèdent un grand potentiel dans le développement de nouveaux médicaments antirétroviraux.

Monoclonal antibody screening of a phage-displayed random peptide library reveals mimotopes of chemokine receptor CCR5: Implications for the tertiary structure of the receptor and for an n-terminal binding site for HIV-1 gp120

The chemokine receptor CCR5 contains seven transmembrane-spanning domains. It binds chemokines and acts as co-receptor for macrophage (m)-tropic (or R5) strains of HIV-1. Monoclonal antibodies (mAb) to CCR5, 3A9 and 5C7, were used for biopanning a nonapeptide cysteine (C)-constrained phage-displayed random peptide library to ascertain contact residues and define tertiary structures of possible epitopes on CCR5. Reactivity of antibodies with phagotopes was established by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). mAb 3A9 identified a phagotope C-HASIYDFGS-C (3A9/1), and 5C7 most frequently identified C-PHWLRDLRV-C (5C7/1). Corresponding peptides were synthesized. Phagotopes and synthetic peptides reacted in ELISA with corresponding antibodies and synthetic peptides inhibited antibody binding to the phagotopes. Reactivity by immunofluorescence of 3A9 with CCR5 was strongly inhibited by the corresponding peptide. Both mAb 3A9 and 5C7 reacted similarly with phagotopes and the corresponding peptide selected by the alternative mAb. The sequences of peptide inserts of phagotopes could be aligned as mimotopes of the sequence of CCR5. For phage 3A9/1, the motif SIYD aligned to residues at the N terminus and FG to residues on the first extracellular loop; for 5C7/1, residues at the N terminus, first extracellular loop, and possibly the third extracellular loop could be aligned and so would contribute to the mimotope. The synthetic peptides corresponding to the isolated phagotopes showed a CD4-dependent reactivity with gp120 of a primary, m-tropic HIV-1 isolate. Thus reactivity of antibodies raised to CCR5 against phage-displayed peptides defined mimotopes that reflect binding sites for these antibodies and reveal a part of the gp120 binding sites on CCR5.

Estimating the Threshold Surface Density of Gp120-CCR5 Complexes Necessary for HIV-1 Envelope-Mediated Cell-Cell Fusion

Reduced expression of CCR5 on target CD4(+) cells lowers their susceptibility to infection by R5-tropic HIV-1, potentially preventing transmission of infection and delaying disease progression. Binding of the HIV-1 envelope (Env) protein gp120 with CCR5 is essential for the entry of R5 viruses into target cells. The threshold surface density of gp120-CCR5 complexes that enables HIV-1 entry remains poorly estimated. We constructed a mathematical model that mimics Env-mediated cell-cell fusion assays, where target CD4(+)CCR5(+) cells are exposed to effector cells expressing Env in the presence of a coreceptor antagonist and the fraction of target cells fused with effector cells is measured. Our model employs a reaction network-based approach to describe protein interactions that precede viral entry coupled with the ternary complex model to quantify the allosteric interactions of the coreceptor antagonist and predicts the fraction of target cells fused. By fitting model predictions to published data of cell-cell fusion in the presence of the CCR5 antagonist vicriviroc, we estimated the threshold surface density of gp120-CCR5 complexes for cell-cell fusion as similar to 20 mu m(-2). Model predictions with this threshold captured data from independent cell-cell fusion assays in the presence of vicriviroc and rapamycin, a drug that modulates CCR5 expression, as well as assays in the presence of maraviroc, another CCR5 antagonist, using sixteen different Env clones derived from transmitted or early founder viruses. Our estimate of the threshold surface density of gp120-CCR5 complexes necessary for HIV-1 entry thus appears robust and may have implications for optimizing treatment with coreceptor antagonists, understanding the non-pathogenic infection of non-human primates, and designing vaccines that suppress the availability of target CD4(+)CCR5(+) cells.

灵长类CCR5基因的序列进化与系统发育研究

国家自然科学基金;中国科学院基金

Sequence evolution of the CCR5 chemokine receptor gene in primates

The chemokine receptor CCR5 can serve as a coreceptor for M-tropic HIV-1 infection and both M-tropic and T-tropic SIV infection. We sequenced the entire CCR5 gene from 10 nonhuman primates: Pongo pygmaeus, Hylobates leucogenys, Trachypithecus francoisi, Trachypithecus phayrei, Pygathrix nemaeus, Rhinopithecus roxellanae, Rhinopithecus bieti, Rhinopithecus avunculus, Macaca assamensis, and Macaca arctoides. When compared with CCR5 sequences from humans and other primates, our results demonstrate that:(1) nucleotide and amino acid sequences of CCR5 among primates are highly homologous, with variations slightly concentrated on the amino and carboxyl termini; and (2) site Asp13, which is critical for CD4-independent binding of SIV gp120 to Macaca mulatta CCR5, was also present in all other nonhuman primates tested here, suggesting that those nonhuman primate CCR5s might also bind SIV gp120 without the presence of CD4. The topologies of CCR5 gene trees constructed here conflict with the putative opinion that the snub-nosed langurs compose a monophyletic group, suggesting that the CCR5 gene may not be a good genetic marker for low-level phylogenetic analysis. The evolutionary rate of CCR5 was calculated, and our results suggest a slowdown in primates after they diverged from rodents. The synonymous mutation rate of CCR5 in primates is constant, about 1.1 x 10(-9) synonymous mutations per site per year. Comparisons of K-a and K-s suggest that the CCR5 genes have undergone negative or purifying selection. K-a/K-s ratios from cercopithecines and colobines are significantly different, implying that selective pressures have played different roles in the two lineages.

Structure analysis of CCR5 from human and primates

It is well known that the chemokine receptor CCR5 plays very important roles in HIV-1 virus infection. A three-dimensional molecular model of human CCR5 was generated by SYBYL, a distance geometry-based homologous modeling package, using the corresponding transmembrane domain of bacteriorhodopsin as the template. On the basis of human CCR5 model, we also built 18 3D molecular models of CCR5 in primates from Pongo pygmaeus, Pygathrix nemaeus, Macaca assameniss, Trachy-pithecus phayrei, T. francoisi, M. arotoides, Rhinopithecus roxellance, R, bieti, R. avunculus, Hylobates leucogenys, Pan troglodytes, Gorilla gorilla, Cercopithecus aethiops 1, C. aethiops 2, Papio hamadryas M. mulatta, M. fascicularis and M. nemestrina. Structural analyses and statistics results suggested that the main-chains of the primate CCR5 were similar to that of the human CCR5 and that the fit-RMS deviation values of these primate CCR5 were less than 0.1 Angstrom. Moreover, the structures of these CCR5 proteins, except those of the African green monkey 1 (C.aet1), do not have a remarkable difference. It is proved that the 14th residue is possibly very important in the inhibition infections by M-tropic HIV-1, and it is also demonstrated that the 13th residue of human CCR5 was changed from asparagine into aspartic acid in all these primates. It means that the primate CCR5 no longer depend on CD4 for efficient entry, but human CCR5 may have evolved subsequently due to the use of CD4 as a receptor, allowing the high-affinity chemokine receptor-binding site of HIV to be sequestered from host immune surveillance. (C) 2000 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Intra- and interspecific variation of the CCR5 gene in higher primates

We have evaluated the molecular evolution of the chemokine receptor CCR5 in primates. The chemokine receptor CCR5 serves as a major co-receptor for human immunodeficiency virus/simian immunodeficiency virus (HIV/SIV) infection. Knowledge of evolution of the CCR5 molecule and selection on the CCR5 gene may shed light on its functional role. The comparison of differences between intraspecific polymorphisms and interspecific fixed substitutions provides useful information regarding modes of selection during the course of evolution. There is marked polymorphism in the CCR5 gene sequence within different primate species, whereas sequence divergence between different species is small. By using contingency tests, we compared synonymous (SS) and nonsynonymous (NS) CCR5 mutations occurring within and between a broad range of primates. Our results demonstrate that CCR5 evolution did not follow expectations, of strict neutrality at the level of the whole gene. The proportion of NS to SS at the intraspecific level was significantly higher than that observed at the interspecific level. These results suggest that most CCR5 NS polymorphisms are slightly deleterious. However, at domains more closely correlated with its known biological functions, there was no obvious evidence to support deviation from neutrality.

Molecular modeling on human CCR5 receptors and complex with CD4 antigens and HIV-1 envelope glycoprotein gp120

AIM: To investigate the interaction between human CCR5 receptors (CCR5) and HIV-1 envelope glycoprotein gp120 (HIV-1 gp120) and HIV-1 receptor CD4 antigens (CD4). METHODS: The structurally con served regions (SCR) of human CCR5 was built by the SYBYL/Biopolymer module using the corresponding transmembrane (TM) domain of bacteriorhodopsin (bR) as the template. The coordinates for amino-ter minal residue sequence, and carboxyl-terminal residue sequence, extracellular and cytoplasmic loops were generated using LOOP SEARCH algorithm. Subsequently the structural model was merged into the complex with HIV-1 gp120 and CD4. RESULTS: Human CCR5 interacted with both an HIV-1 gp120 and CD4. The N-terminal residues (especially Met1 and Gln4) of human CCR5, contacted with CD4 residues, mainly 7Nith one span (56 - 59) of CD4 in electrostatic interaction and hydrogen-bonds. The binding sites of human CCR5 were buried in a hydrophobic center surrounded by a highly basic periphery. On the other hand, direct interatomic contacts were made between ? CCR5 residues and 6 gp120 amino-acid residues, which included van der Waals contacts, hydrophobic interaction, and hydrogen bonds. CONCLUSION: The interaction model should be helpful for rational design of novel anti-HIV drugs.

Structural and functional characterization of the human CCR5 receptor in complex with HIV gp120 envelope glycoprotein and CD4 receptor by molecular modeling studies

The entry of human immunodeficiency virus (HIV) into cells depends on a sequential interaction of the gp120 envelope glycoprotein with the cellular receptors CD4 and members of the chemokine receptor family. The CC chemokine receptor CCR5 is such a receptor for several chemokines and a major coreceptor for the entry of R5 HIV type-1 (HIV-1) into cells. Although many studies focus on the interaction of CCR5 with HIV-1, the corresponding interaction sites in CCR5 and gp120 have not been matched. Here we used an approach combining protein structure modeling, docking and molecular dynamics simulation to build a series of structural models of the CCR5 in complexes with gp120 and CD4. Interactions such as hydrogen bonds, salt bridges and van der Waals contacts between CCR5 and gp120 were investigated. Three snapshots of CCR5-gp120-CD4 models revealed that the initial interactions of CCR5 with gp120 are involved in the negatively charged N-terminus (Nt) region of CCR5 and positively charged bridging sheet region of gp120. Further interactions occurred between extracellular loop2 (ECL2) of CCR5 and the base of V3 loop regions of gp120. These interactions may induce the conformational changes in gp120 and lead to the final entry of HIV into the cell. These results not only strongly support the two-step gp120-CCR5 binding mechanism, but also rationalize extensive biological data about the role of CCR5 in HIV-1 gp120 binding and entry, and may guide efforts to design novel inhibitors.