Effect of calcium-modulating cyclophilin ligand on human immunodeficiency virus type 1 particle release and cell surface expression of Tetherin

The HIV-1 accessory protein Vpu enhances virus particle release by counteracting a host factor that retains virions at the cell surface of infected cells. It was recently demonstrated that cellular protein BST2/CD317/Tetherin restricts HIV-1 release in a Vpu-dependent manner. CAML was also proposed to be involved in this process. We investigated whether CAML is involved in Tetherin cell-surface expression. Here, we show that CAML over-expression in permissive Cos-7 cells or CAML depletion in restrictive HeLa cells has no effect on HIV-1 release nor on Tetherin surface expression, indicating that CAML is not required for Tetherin-mediated restriction of HIV-1 release.

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.

Role of retroviral restriction factors in the interferon-α-mediated suppression of HIV-1 in vivo.

The antiviral potency of the cytokine IFN-α has been long appreciated but remains poorly understood. A number of studies have suggested that induction of the apolipoprotein B mRNA editing enzyme, catalytic polypeptide 3 (APOBEC3) and bone marrow stromal cell antigen 2 (BST-2/tetherin/CD317) retroviral restriction factors underlies the IFN-α-mediated suppression of HIV-1 replication in vitro. We sought to characterize the as-yet-undefined relationship between IFN-α treatment, retroviral restriction factors, and HIV-1 in vivo. APOBEC3G, APOBEC3F, and BST-2 expression levels were measured in HIV/hepatitis C virus (HCV)-coinfected, antiretroviral therapy-naïve individuals before, during, and after pegylated IFN-α/ribavirin (IFN-α/riba) combination therapy. IFN-α/riba therapy decreased HIV-1 viral load by -0.921 (±0.858) log(10) copies/mL in HIV/HCV-coinfected patients. APOBEC3G/3F and BST-2 mRNA expression was significantly elevated during IFN-α/riba treatment in patient-derived CD4+ T cells (P < 0.04 and P < 0.008, paired Wilcoxon), and extent of BST-2 induction was correlated with reduction in HIV-1 viral load during treatment (P < 0.05, Pearson's r). APOBEC3 induction during treatment was correlated with degree of viral hypermutation (P < 0.03, Spearman's ρ), and evolution of the HIV-1 accessory protein viral protein U (Vpu) during IFN-α/riba treatment was suggestive of increased BST-2-mediated selection pressure. These data suggest that host restriction factors play a critical role in the antiretroviral capacity of IFN-α in vivo, and warrant investigation into therapeutic strategies that specifically enhance the expression of these intrinsic immune factors in HIV-1-infected individuals.

Evolutionary trajectories of primate genes involved in HIV pathogenesis.

The current availability of five complete genomes of different primate species allows the analysis of genetic divergence over the last 40 million years of evolution. We hypothesized that the interspecies differences observed in susceptibility to HIV-1 would be influenced by the long-range selective pressures on host genes associated with HIV-1 pathogenesis. We established a list of human genes (n = 140) proposed to be involved in HIV-1 biology and pathogenesis and a control set of 100 random genes. We retrieved the orthologous genes from the genome of humans and of four nonhuman primates (Pan troglodytes, Pongo pygmaeus abeli, Macaca mulatta, and Callithrix jacchus) and analyzed the nucleotide substitution patterns of this data set using codon-based maximum likelihood procedures. In addition, we evaluated whether the candidate genes have been targets of recent positive selection in humans by analyzing HapMap Phase 2 single-nucleotide polymorphisms genotyped in a region centered on each candidate gene. A total of 1,064 sequences were used for the analyses. Similar median K(A)/K(S) values were estimated for the set of genes involved in HIV-1 pathogenesis and for control genes, 0.19 and 0.15, respectively. However, genes of the innate immunity had median values of 0.37 (P value = 0.0001, compared with control genes), and genes of intrinsic cellular defense had K(A)/K(S) values around or greater than 1.0 (P value = 0.0002). Detailed assessment allowed the identification of residues under positive selection in 13 proteins: AKT1, APOBEC3G, APOBEC3H, CD4, DEFB1, GML, IL4, IL8RA, L-SIGN/CLEC4M, PTPRC/CD45, Tetherin/BST2, TLR7, and TRIM5alpha. A number of those residues are relevant for HIV-1 biology. The set of 140 genes involved in HIV-1 pathogenesis did not show a significant enrichment in signals of recent positive selection in humans (intraspecies selection). However, we identified within or near these genes 24 polymorphisms showing strong signatures of recent positive selection. Interestingly, the DEFB1 gene presented signatures of both interspecies positive selection in primates and intraspecies recent positive selection in humans. The systematic assessment of long-acting selective pressures on primate genomes is a useful tool to extend our understanding of genetic variation influencing contemporary susceptibility to HIV-1.

Étude du mécanisme d’augmentation de la relâche virale par la protéine Vpu du VIH-1

Les différentes protéines accessoires du VIH-1, l’agent étiologique du SIDA, optimisent la réplication et la propagation du virus in vivo. Parmi ces dernières figure Vpu, l’antagoniste du facteur de restriction nommé Tetherin qui prévient la relâche des particules virales à partir de la surface de cellules infectées. En diminuant son expression de surface, Vpu prévient l’incorporation de ce facteur de restriction dans la particule virale en formation et conséquemment, empêche la formation d’une ancre protéique reliant le virus mature à la membrane plasmique de la cellule infectée. La mécanistique sous-jacente n’était cependant pas connue. Cette présente thèse relate nos travaux exécutés afin d’élucider la dynamique des mécanismes cellulaires responsables de cet antagonisme. Une approche de mutagénèse dirigée a d’abord permis d’identifier deux régions contenant des déterminants de la localisation de Vpu dans le réseau trans-Golgi (RTG), puis de démontrer la relation existante entre cette distribution et l’augmentation de la relâche des particules virales. Des expériences subséquentes de marquage métabolique suivi d’une chasse exécutées dans des systèmes cellulaires où Tetherin est exprimée de façon endogène ont suggéré le caractère dispensable de l’induction par Vpu de la dégradation du facteur de restriction lors de son antagonisme. En revanche, une approche de réexpression de Tetherin conduite en cytométrie en flux, confirmée en microscopie confocale, a mis en évidence une séquestration de Tetherin dans le RTG en présence de Vpu, phénomène qui s’est avéré nécessiter l’interaction entre les deux protéines. L’usage d’un système d’expression de Vpu inductible conjugué à des techniques de cytométrie en flux nous a permis d’apprécier l’effet majeur de Vpu sur la Tetherin néo-synthétisée et plus mineur sur la Tetherin de surface. En présence de Vpu, la séquestration intracellulaire de la Tetherin néo-synthétisée et la légère accélération de l’internalisation naturelle de celle en surface se sont avérées suffisantes à la réduction de son expression globale à la membrane plasmique et ce, à temps pour l’initiation du processus de relâche virale. À la lumière de nos résultats, nous proposons un modèle où la séquestration de la Tetherin néo-synthétisée dans le RTG préviendrait le réapprovisionnement de Tetherin en surface qui, combinée avec l’internalisation naturelle de Tetherin à partir de la membrane plasmique, imposerait l’établissement d’un nouvel équilibre de Tetherin incompatible avec une restriction de la relâche des particules virales. Cette thèse nous a donc permis d’identifier un processus par lequel Vpu augmente la sécrétion de virus matures et établit une base mécanistique nécessaire à la compréhension de la contribution de Vpu à la propagation et à la pathogénèse du virus, ce qui pourrait mener à l’élaboration d’une stratégie visant à contrer l’effet de cette protéine virale.

La protéine accessoire Vpu du VIH-1 inhibe l'activité antivirale des pDCs à travers un processus ILT7-dépendant

Viral protein U (Vpu) is an accessory protein of HIV‐1 that efficiently targets BST2/Tetherin, a cellular restriction factor that acts as molecular anchor impeding the release of various enveloped viruses from the cell surface. The recently discovered natural receptor of BST2 is ILT7, a molecule exclusively expressed at the surface of the professional type 1 interferon (IFN‐1) producing cells, plasmacytoid dendritic cells (pDCs). The interaction between BST2 and ILT7 has been reported to efficiently induce a repression of IFN­‐1 secretion by pDCs. Here, we investigated the impact of Vpu mediated antagonism of BST2, in regards to this newly described immune function of BST2. Using a system of CD4+ T cell lines infected with wild type or Vpu‐deficient HIV-­1 cultured with peripheral blood mononuclear cells or purified pDCs, we report that the presence of Vpu efficiently reduces IFN-­1 production from sensing pDCs. Furthermore, we observed that this Vpu effect is dependent on the availability of BST2 molecules at the surface of the infected cells, since the Vpu's immunoregulation is abrogated when blocking any potential BST2 trans interaction with anti­‐BST2 antibodies. Similarly, depleting ILT7 from pDCs by means of small interfering RNA treatment equally negates the downregulation of pDC IFN-­1 secretion by Vpu. Finally, the use of recombinant soluble ILT7 competes with pDC‐bound ILT7 for the free BST2 and similarly results in high IFN-­1 production, causing an identical phenotype. Overall, our results demonstrate that Vpu heightens ILT7 activation and subsequent repression of IFN‐1 production by pDCs in response to HIV­‐1 infected CD4+ T cells by promoting it's trans interaction with infected T cell bound BST2, through a yet uncharacterized mechanism. By allowing efficient particle release and restraining pDCs antiviral functions, Vpu exerts a double role on BST2 that seems crucial for the replication and dissemination of HIV‐1.

Role of retroviral restriction factors in the interferon-α-mediated suppression of HIV-1 in vivo

The antiviral potency of the cytokine IFN-α has been long appreciated but remains poorly understood. A number of studies have suggested that induction of the apolipoprotein B mRNA editing enzyme, catalytic polypeptide 3 (APOBEC3) and bone marrow stromal cell antigen 2 (BST-2/tetherin/CD317) retroviral restriction factors underlies the IFN-α-mediated suppression of HIV-1 replication in vitro. We sought to characterize the as-yet-undefined relationship between IFN-α treatment, retroviral restriction factors, and HIV-1 in vivo. APOBEC3G, APOBEC3F, and BST-2 expression levels were measured in HIV/hepatitis C virus (HCV)-coinfected, antiretroviral therapy-naïve individuals before, during, and after pegylated IFN-α/ribavirin (IFN-α/riba) combination therapy. IFN-α/riba therapy decreased HIV-1 viral load by -0.921 (±0.858) log(10) copies/mL in HIV/HCV-coinfected patients. APOBEC3G/3F and BST-2 mRNA expression was significantly elevated during IFN-α/riba treatment in patient-derived CD4+ T cells (P < 0.04 and P < 0.008, paired Wilcoxon), and extent of BST-2 induction was correlated with reduction in HIV-1 viral load during treatment (P < 0.05, Pearson's r). APOBEC3 induction during treatment was correlated with degree of viral hypermutation (P < 0.03, Spearman's ρ), and evolution of the HIV-1 accessory protein viral protein U (Vpu) during IFN-α/riba treatment was suggestive of increased BST-2-mediated selection pressure. These data suggest that host restriction factors play a critical role in the antiretroviral capacity of IFN-α in vivo, and warrant investigation into therapeutic strategies that specifically enhance the expression of these intrinsic immune factors in HIV-1-infected individuals.

Rôle de la conformation des glycoprotéines de l’enveloppe du VIH-1 dans la réponse cytotoxique cellulaire dépendante des anticorps et impact des protéines virales Nef et Vpu

Alors que d’énormes efforts sont mis de l’avant pour mettre en place des stratégies thérapeutiques contre l’infection au VIH-1, il est nécessaire de mieux cerner les déterminants viraux qui aideront à l’efficacité de celles-ci. En ce sens, une volumineuse littérature scientifique suggère que les anticorps contre le VIH-1 possédant une capacité à induire une réponse effectrice dépendante de leur portion Fc puissent jouer un rôle important dans la prévention de l’infection et dans la progression de la maladie. Cependant, peu d’information est disponible concernant les déterminants reconnus par ces anticorps et comment le virus s’en protège. Le but des travaux présentés dans cette thèse est donc d’élucider les mécanismes viraux contrôlant la reconnaissance des cellules infectées par ces anticorps capables d’induire une réponse effectrice. De par les corrélats de protection identifiés au cours de l’essai vaccinal RV144, les travaux présentés ici se concentrent sur la réponse cytotoxique dépendante des anticorps (ADCC), puisqu’il s’agit d’une réponse effectrice suggérée pour avoir joué un rôle dans la protection observée dans le RV144, seul essai vaccinal anti-VIH à avoir démontré un certain degré de protection. De plus, plusieurs anticorps capables d’induire cette réponse contre le VIH sont connus pour reconnaître les glycoprotéines de surface du virus (Env) dans une conformation dite ouverte, c’est-à-dire la conformation adoptée lors de la liaison d’Env avec son récepteur CD4 (épitopes CD4i). Nous avons mis au point deux techniques in vitro permettant d’étudier ces changements de conformation ainsi que leur impact sur la réponse ADCC. Les techniques mises au point, un ÉLISA sur base cellulaire pour mesurer les changements de conformation d’Env ainsi que la mesure de la réponse ADCC par cytométrie en flux, nous ont permis de démontrer comment le virus empêche l’exposition des épitopes d’Env CD4i. L’activité simultanée des protéines accessoires virales Nef et Vpu sur le retrait du récepteur CD4 de la surface des cellules infectées et l’inhibition du facteur de restriction Tétherine / BST-2 par Vpu contrôlent à la fois les niveaux d’Env et de CD4 à la surface cellulaire et donc modulent l’interaction Env-CD4 et ultimement la susceptibilité à la réponse ADCC contre les épitopes CD4i reconnus par des anticorps hautement prévalents lors de l’infection au VIH. Également, nous démontrons comment de petits composés mimant la liaison de CD4 sur Env sont capables de forcer l’exposition des épitopes CD4i, même en présence des protéines Nef et Vpu, et donc d’augmenter la susceptibilité des cellules infectées à la réponse ADCC. Une autre découverte présentée ici est la démonstration que la portion soluble d’Env produite par les cellules infectées peut interagir avec le récepteur CD4 des cellules non-infectées avoisinantes et induire leur reconnaissance et élimination par la réponse ADCC contre Env. Somme toute, la modulation de la réponse ADCC par l’interaction Env–CD4 représente un important pilier de la relation hôte – pathogène du VIH-1 de la perspective des réponses Fc-dépendantes. Les travaux présentés dans cette thèse ont le potentiel d’être utilisés dans l’élaboration de nouvelles stratégies antivirales tout en élargissant les connaissances fondamentales de cette interaction hôte – pathogène.

Rôle de la conformation des glycoprotéines de l’enveloppe du VIH-1 dans la réponse cytotoxique cellulaire dépendante des anticorps et impact des protéines virales Nef et Vpu

Alors que d’énormes efforts sont mis de l’avant pour mettre en place des stratégies thérapeutiques contre l’infection au VIH-1, il est nécessaire de mieux cerner les déterminants viraux qui aideront à l’efficacité de celles-ci. En ce sens, une volumineuse littérature scientifique suggère que les anticorps contre le VIH-1 possédant une capacité à induire une réponse effectrice dépendante de leur portion Fc puissent jouer un rôle important dans la prévention de l’infection et dans la progression de la maladie. Cependant, peu d’information est disponible concernant les déterminants reconnus par ces anticorps et comment le virus s’en protège. Le but des travaux présentés dans cette thèse est donc d’élucider les mécanismes viraux contrôlant la reconnaissance des cellules infectées par ces anticorps capables d’induire une réponse effectrice. De par les corrélats de protection identifiés au cours de l’essai vaccinal RV144, les travaux présentés ici se concentrent sur la réponse cytotoxique dépendante des anticorps (ADCC), puisqu’il s’agit d’une réponse effectrice suggérée pour avoir joué un rôle dans la protection observée dans le RV144, seul essai vaccinal anti-VIH à avoir démontré un certain degré de protection. De plus, plusieurs anticorps capables d’induire cette réponse contre le VIH sont connus pour reconnaître les glycoprotéines de surface du virus (Env) dans une conformation dite ouverte, c’est-à-dire la conformation adoptée lors de la liaison d’Env avec son récepteur CD4 (épitopes CD4i). Nous avons mis au point deux techniques in vitro permettant d’étudier ces changements de conformation ainsi que leur impact sur la réponse ADCC. Les techniques mises au point, un ÉLISA sur base cellulaire pour mesurer les changements de conformation d’Env ainsi que la mesure de la réponse ADCC par cytométrie en flux, nous ont permis de démontrer comment le virus empêche l’exposition des épitopes d’Env CD4i. L’activité simultanée des protéines accessoires virales Nef et Vpu sur le retrait du récepteur CD4 de la surface des cellules infectées et l’inhibition du facteur de restriction Tétherine / BST-2 par Vpu contrôlent à la fois les niveaux d’Env et de CD4 à la surface cellulaire et donc modulent l’interaction Env-CD4 et ultimement la susceptibilité à la réponse ADCC contre les épitopes CD4i reconnus par des anticorps hautement prévalents lors de l’infection au VIH. Également, nous démontrons comment de petits composés mimant la liaison de CD4 sur Env sont capables de forcer l’exposition des épitopes CD4i, même en présence des protéines Nef et Vpu, et donc d’augmenter la susceptibilité des cellules infectées à la réponse ADCC. Une autre découverte présentée ici est la démonstration que la portion soluble d’Env produite par les cellules infectées peut interagir avec le récepteur CD4 des cellules non-infectées avoisinantes et induire leur reconnaissance et élimination par la réponse ADCC contre Env. Somme toute, la modulation de la réponse ADCC par l’interaction Env–CD4 représente un important pilier de la relation hôte – pathogène du VIH-1 de la perspective des réponses Fc-dépendantes. Les travaux présentés dans cette thèse ont le potentiel d’être utilisés dans l’élaboration de nouvelles stratégies antivirales tout en élargissant les connaissances fondamentales de cette interaction hôte – pathogène.