UvA-DARE (Digital Academic Repository) The influence of host genetic factors on HIV-1 infection Manen, D. Link to publication

Transcriptie

1 UvA-DARE (Digital Academic Repository) The influence of host genetic factors on HIV-1 infection Manen, D. Link to publication Citation for published version (APA): Manen, D. (2011). The influence of host genetic factors on HIV-1 infection General rights It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Disclaimer/Complaints regulations If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. You will be contacted as soon as possible. UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam ( Download date: 04 Feb 2017

2 Samenvatting In afwezigheid van antivirale therapie veroorzaakt het humane immunodeficiëntie virus type 1 (hiv-1) het verworven immunodeficiëntie syndroom (in het Engels: acquired immunodeficiency syndrome (AIDS)). Aangezien virussen zich niet zelfstandig kunnen vermenigvuldigen, zijn zij afhankelijk van machinerie van de gastheercel. Voor infectie bindt hiv zich aan de CD4 receptor welke uitsluitend voorkomt op cellen van het immuunsysteem, en vervolgens aan een coreceptor, CCR5 of CXCR4. Het virus integreert vervolgens in het DNA van de gastheercel om van daaruit te profiteren van de cellulaire activiteit om een groot aantal kopieën van het virus te produceren. Deze nieuw gevormde virussen verlaten de cel en kunnen dan andere cellen infecteren waarin de volgende ronde van vermenigvuldiging kan plaatsvinden. Als gevolg van de chronische hiv infectie en door een nog onbegrepen mechanisme raakt het immuun systeem van mensen met hiv hyperactief en is de afbraak van cellen groter dan de aanmaak waardoor het aantal CD4 + T-cellen afneemt en het immuunsysteem van hiv-geïnfecteerden ernstig verzwakt. Kort na infectie zal de geïnfecteerde persoon hier weinig problemen van ondervinden, maar in de latere fase van de hiv-infectie, wanneer het aantal CD4 + T-cellen zeer laag is, en de AIDS diagnose gesteld wordt, is het immuunsysteem van de patiënt niet meer in staat om ziekteverwekkers te weren. Hierdoor kunnen alledaagse infecties die normaal gesproken eenvoudig onder controle gehouden worden al voor zeer ernstige problemen zorgen. Het ziektebeloop na hiv-infectie kan sterk verschillen tussen mensen. In de afwezigheid van antivirale therapie ontwikkelen sommige hiv-geïnfecteerden AIDS symptomen binnen twee jaar na infectie, terwijl anderen na meer dan 15 jaar nog geen tekenen van de hiv-infectie laten zien. Tevens lijkt een gedeelte van de populatie minder bevattelijk te zijn voor hiv-infectie. Dit zijn individuen die hiv-negatief zijn ondanks het feit dat ze herhaaldelijk zijn blootgesteld aan het virus. Naast virale factoren was het bekend dat verschillende genetische gastheerfactoren geassocieerd zijn met het ziektebeloop na infectie. Een van deze genetisch factoren is het humane leukocyten antigeen (HLA)-eiwit. HLA-eiwitten presenteren stukjes virus aan T-cellen, waardoor de T-cel geactiveerd wordt en de afweerreactie begint. Hiv-geïnfecteerden die HLA-B57 of B27 hebben, hebben een grotere kans om langer gezond te blijven terwijl hiv-geïnfecteerden die HLA-B35 hebben een grotere kans hebben om na infectie sneller ziek te worden. Een ander bekend voorbeeld van een dergelijke gastheerfactor is CCR5, een van de coreceptoren die HIV nodig heeft om de cel te infecteren. Een niet-functionele variant van CCR5, veroorzaakt door het missen van 32 basenparen in het DNA van het CCR5 gen (CCR5 Δ32), kan niet door hiv gebruikt worden om cellen te infecteren. Als deze variant op beide chromosomen (CCR5 Δ32/Δ32) voorkomt zijn mensen relatief beschermd tegen infectie. Mensen met de variant op een van beide chromosomen, zogenaamde heterozygoten, (CCR5wt/Δ32), hebben minder van deze receptoren op de cellen en gemiddeld een langzamer ziektebeloop. Doordat het menselijk genoom, dat alle erfelijke informatie bevat, in 2001 systematisch in kaart is gebracht is het nu mogelijk om door het hele genoom heen te 177

3 gaan kijken naar de genetische verschillen tussen mensen. Hierbij werd duidelijk dat er op miljoenen plekken in het DNA veranderingen van één basenpaar, de zogenaamde single nucleotide polymorphisms (SNPs) aanwezig zijn. Door middel van de daarop gebaseerde DNA-chips kan in één keer naar honderdduizenden tot 1 miljoen SNPs per individu worden gekeken. Om meer genvarianten te vinden die de gevoeligheid voor, en het beloop van hiv-infectie beïnvloeden, werden in dit proefschrift genetische studies uitgevoerd, zogenaamde genome-wide association studies (GWAS). Hierbij werden SNPs in het DNA van mensen met een verschillend ziektebeloop, met een verschillende gevoeligheid voor hiv-infectie, of met een verschillende immuunreactie na infectie, met elkaar vergeleken. Humaan TRIM5α kan de replicatie van hiv hinderen, hoewel slechts gedeeltelijk, door te binden aan het capside van het virus in de geïnfecteerde cel. SNPs H43Y en R136Q in TRIM5α zorgen ervoor dat de antivirale activiteit van TRIM5α tegen hiv verandert in vitro. In Hoofdstuk 2, hebben we gekeken of deze SNPs het ziektebeloop na infectie kunnen beïnvloeden in hiv-geïnfecteerde mensen van de Amsterdamse Cohort Studies (ACS) naar hiv-infectie en AIDS. Mensen die homozygoot waren voor het mutante allel 43Y, dat wil zeggen deze mutatie op beide chromosomen droegen, vertoonden gemiddeld sneller na hiv-infectie AIDS symptomen, dan mensen die het wildtype allel 43H droegen. Verder zagen we dat het mutante allel 136Q, in combinatie met het genotype 5 UTR -2GG vaker voorkwam in mensen die een progressief ziektebeloop na hiv-infectie hadden. Deze resultaten laten zien dat TRIM5α genvarianten mogelijkerwijs het ziektebeloop na hiv-infectie beïnvloeden. In de eerste GWAS in hiv-infectie werden SNPs gevonden in het HLA-C en het HLA-complex P5 (HCP5) gen, die geassocieerd waren met de virale load op setpoint, zijnde het redelijk stabiele virale load niveau in het plasma ongeveer twee jaar na seroconversie. Verder werden in deze studie enkele SNPs gevonden in het ring finger protein 39 (RNF39) en zinc ribbon domain-containing 1 (ZNRD1) gen die geassocieerd zijn met de afname van CD4 + T-cellen na hiv-infectie. Wij konden de associaties tussen het hebben van het mutante allel van SNP rs kb HLA-C en rs HCP5 en een lager virale load op setpoint bevestigen in de ACS in Hoofdstuk 3. Deze twee SNPs bleken ook geassocieerd met het ziektebeloop na hiv-infectie. Wij vonden geen associatie tussen de SNPs in RNF39/ZNRD1 gen regio en het ziektebeloop na hiv-infectie. In Hoofdstuk 4 werd de invloed van SNPs op het ziektebeloop na hiv-infectie geanalyseerd in een GWAS met de overlevingstijd tot AIDS-diagnose of AIDSgerelateerde dood als fenotype. Meerdere interessante genvarianten die geassocieerd zijn met overlevingstijd na hiv-infectie tot AIDS-diagnose en/of AIDS-gerelateerde dood werden geïdentificeerd. Vier SNPs uit de top tien van associaties met AIDS of AIDS-gerelateerde dood waren ook significant geassocieerd met ziekteprogressie in hiv-geïnfecteerden van het Franse Genomics of Resistance to Immunodeficiency Virus (GRIV) cohort. De resultaten van deze GWAS benadrukken dat naast de al bekende genvarianten in de HLA regio, die geassocieerd zijn met verschillende hoogtes van de 178

4 virale load, andere gastheerfactoren van belang lijken te zijn op het ziektebeloop na hiv-infectie. In Hoofdstuk 5 hebben we gezocht naar genvarianten die meer voorkomen in mensen die lange tijd geen symptomen van hiv-infectie laten zien, de zogenaamde long-term non-progressors (LTNPs), vergeleken met gezonde mensen. SNP rs in C-X-C chemokine receptor 6 (CXCR6) was sterk geassocieerd met LTNP in het Franse GRIV, twee Amerikaanse cohorten en de ACS. SNPs die voorkomen in een hele lage frequentie in de populatie zijn in de standaard GWAS moeilijk te identificeren, terwijl zij mogelijk sterk geassocieerd zijn met hivpathogenese. Daarom werden GWAS data van het Amerikaanse MultiCenter AIDS Cohort Study (MACS), het Franse GRIV cohort en de ACS opnieuw geanalyseerd, waarbij in totaal 365 LTNPs en 147 mensen die kort na hiv-infectie al AIDS symptomen hadden, de zogenaamde rapid progressors (RPs), vergeleken met 1394 ongeïnfecteerde mensen (Hoofdstuk 6). Meer dan 8000 SNPs, waarvan het mutante allel een lage frequentie heeft in de LTNP (<5%), werden getest. Drie SNPs op chromosoom 6, inclusief HCP5 rs , en een vierde SNP in Rho-type GTPase-activating protein (RICH2), waren sterk geassocieerd met een gunstig ziektebeloop na hiv-infectie. Door het gericht analyseren van SNPs die voorkomen in een lage frequentie in de populatie, in meerdere cohorten, waren wij in staat om potentiële nieuwe gastheerfactoren te vinden die hiv-pathogenese beïnvloeden. Wij hebben in Hoofdstuk 7 een GWAS uitgevoerd in zogenaamde Hoog risico Sero-negatieven (HRSN), die hiv-negatief zijn, ondanks het feit dat ze herhaaldelijk zijn blootgesteld aan het virus, om additionele gastheerfactoren te vinden die de gevoeligheid voor hiv-infectie beïnvloeden. Meerdere SNPs werden gevonden waarvan het mutante allel significant vaker voorkwam in de HRSN wanneer deze vergeleken werden met hiv-geïnfecteerde mensen. Het mutante allel van twee van de SNPs uit de top 10 kwam ook aanmerkelijk minder vaak voor in hiv-geïnfecteerden wanneer deze werden vergeleken met gezonde mensen, zowel in de ACS als het Franse GRIV cohort. Van twee andere gen regio s die geïdentificeerd werden in deze studie omdat ze mogelijk de gevoeligheid voor hiv-infectie beïnvloeden was bekend dat ze de hiv replicatie in vitro ondersteunen. Onze huidige studie suggereerde dat genetische variatie in deze twee genregio s de mate van ondersteuning zou kunnen beïnvloeden en daarmee de gevoeligheid voor hiv infectie in vivo beïnvloeden. Er is nog niet veel bekend over de mogelijke invloed van variaties in het humane genoom op het aanmaken van hiv-specifieke antilichamen door het immuunsysteem na hiv-infectie. Daarom werd een GWAS uitgevoerd om SNPs te vinden die geassocieerd zijn met het wel of niet aanwezig zijn van hiv-specifieke potente neutraliserende activiteit in het serum van hiv-geïnfecteerde mensen uit de ACS (Hoofdstuk 8). Drie SNPs, die sterk met elkaar gecorreleerd zijn, in de N-acetylglucosaminyltransferase IV (GNTIVH) gen regio, en enkele signalen dichtbij major histocompatibility complex I chain-related protein A (MICA) en in het HCP5 gene waren geassocieerd met de hivspecifieke neutraliserende humorale immuun reactie na infectie, hoewel geen van de signalen significant was na correctie voor het aantal uitgevoerde testen. Verder vonden 179

5 wij dat ook het HLA-B57 allel van belang is voor de hiv-specifieke antilichaam reactie na infectie. Deze resultaten benadrukken dat gastheerfactoren van invloed zijn op de humorale immuniteit na hiv-infectie, hoewel bevestiging van de associatie met deze SNPs in een ander cohort een vereiste is. Een recente studie heeft laten zien dat in Nederlandse hiv-geïnfecteerden op populatieniveau het gemiddelde virale load setpoint over kalendertijd significant is gestegen. Inderdaad zagen wij in mensen die tussen 2003 en 2009 geïnfecteerd raakten (post-2003 seroconverteerders) een significant hoger virale load setpoint vergeleken met mensen die tussen 1982 en 2002 geïnfecteerd raakten (pre-2003 seroconverteerders), zoals beschreven in Hoofdstuk 9. In de pre-2003 seroconverteerders waren, zoals verwacht, het mutante genotype CCR5wt/Δ32, en het mutante allel van HCP5 rs en -35 HLA-C rs geassocieerd met een lager virale load setpoint. Maar in de recent geïnfecteerde mensen was het beschermende effect van de mutaties in de genen HCP5 en CCR5 niet meer aanwezig. Het lijkt dus dat de stijging in het virale load setpoint samenvalt met het verlies van het beschermend effect van bepaalde gastheerfactoren. In dit proefschrift werden meerdere genetische gastheerfactoren gevonden die mogelijk een rol spelen bij de gevoeligheid voor en het ziektebeloop van hiv-infectie, en het ontstaan van een humorale immuunreactie na hiv-infectie, zowel in de ACS als in meta-analyses die meerder cohorten bevatten. Deze nieuwe factoren zorgen voor een beter begrip van de genetische variatie en hoe deze hiv-infectie en pathogenese kan beïnvloeden. Mogelijkerwijs kan dit leiden tot nieuwe therapiestrategieën en vaccineontwikkeling om de AIDS epidemie wereldwijd te bestrijden. 180