HIV-1 sensitivity to neutralization: biological and molecular studies Beaumont, T.

Transcriptie

1 UvA-DARE (Digital Academic Repository) HIV-1 sensitivity to neutralization: biological and molecular studies Beaumont, T. Link to publication Citation for published version (APA): Beaumont, T. (2002). HIV-1 sensitivity to neutralization: biological and molecular studies 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: 14 Feb 2017

2 Samenvatting

3

4 samenvatting Samenvatting In de geschiedenis van de mensheid hebben virussen een grote rol gespeeld. De mens wordt door frequente interactie met virus-gastheren, zoals bijvoorbeeld apen, vogels en landbouw huisdieren, continu blootgesteld aan vele soorten virussen. Door de grote flexibiliteit van ons afweersysteem hebben we tegen de meeste virusvormen bescherming (resistentie dan wel tolerantie) opgebouwd. Overdracht van een nieuw virus aan een nog niet eerder aan dat virus blootgestelde groep mensen kan echter grote gevolgen hebben zoals bijvoorbeeld gebleken is bij de introductie van Europese virussen tijdens de Spaanse verovering van Zuid-Amerika. Ook dichter bij huis heeft bijna een eeuw geleden de Spaanse griep flink huisgehouden. Dit geeft aan dat nieuwe vormen van reeds bestaande virussen veel schade kunnen toebrengen. Voor het humane immunodeficiëntie virus type 1 (HIV-1), dat het verworven immunodeficiëntie syndroom (in het engels: Acquired Immunodeficiency Syndrome AIDS) veroorzaakt, en ontdekt werd in 1983, geldt hetzelfde. Ergens vanaf heeft het zich over de hele wereld verspreid en miljoenen levens geëist. HIV-1 bleek een nieuw virus te zijn dat behoort tot de groep van de retrovirussen en is sterk verwant aan het simian immunodeficiency virus (SIV) waarmee in het wild levende chimpansees geïnfecteerd zijn. HIV-2, een sterk op HIV-1 gelijkend virus dat ook in mensen voorkomt maar minder snel ziekmakend is dan HIV-1, vertoont meer gelijkenis met SIV dat gevonden wordt in (roet)mangabeys. Kenmerkend voor retrovirussen is dat ze een enzym (reverse transcriptase) met zich meedragen dat het virale RNA omzet in DNA waarna het virusgenoom wordt ingebouwd in het genoom van de gastheercel. Deze stap is noodzakelijk omdat virussen voor hun levenscyclus (replicatie) volledig afhankelijk zijn van hun gastheercel. Het maken van nieuwe virus deeltjes wordt door het virus gedirigeerd maar uitgevoerd door de gastheercel. Het virus kan de gastheercel binnendringen via receptoren die op het membraan van deze cellen tot expressie worden gebracht. Binding van het virus aan deze receptoren is de eerste stap naar infectie van de cel. De receptor waar HIV-1 als eerste aan bindt is het CD4 molecuul dat tot expressie komt op T helper cellen. Deze cellen spelen een cruciale rol in het organiseren van de afweer. Infectie door HIV-1 resulteert in de dood van deze T helper cellen. Het wegvallen van deze cellen tijdens HIV-1 infectie maakt dat de patiënt gevoelig wordt voor alledaagse infecties en tumoren. Wanneer zo'n ziekte zich voordoet wordt de diagnose AIDS gesteld. Het ziektebeloop van de HIV-1 infectie wordt door patiënt- en virus- gerelateerde factoren bepaald. Er zijn bijvoorbeeld patiënten die pas ziek worden na 15 jaar, terwijl anderen al na enkele jaren AIDS ontwikkelen. Dit verschil in ziektebeloop tussen patiënten kan gedeeltelijk genetisch bepaald zijn. De meest sprekende voorbeelden hiervan zijn de gevonden verschillen (mutaties) in de genetische code van de celmembraan-eiwitten die HIY-1 herkennen na CD4 binding. Deze zogenaamde chemokine receptoren (of HIV-1 co-receptoren), waarvan CCR5 en CXCR4 de belangrijkste zijn, kunnen mutaties bevatten die bepalen of mensen wel of niet geïnfecteerd kunnen worden, dan wel een normaal of vertraagd ziektebeloop kennen. Met de ontdekking in 1996 van deze coreceptoren kon worden verklaard waarom verschillende virus varianten verschillende typen gastheercellen infecteren. Meestal is de voorkeur van een virusvariant voor een bepaalde 109

5 samenvatting gastheercel simpelweg het gevolg van de membraan expressie van CCR5 of CXCR4. Virussen die CCR5 als co-receptor gebruiken worden vroeg in de HIV-1 infectie gevonden. In ongeveer 50% van de HIV patiënten ontstaan daarnaast ook CXCR4 gebruikende virus varianten. T cellijnen worden vaak in laboratoria gebruikt om virussen te onderzoeken. CCR5 gebruikende virussen zijn niet in staat T cellijnen te infecteren, in tegenstelling tot virussen die CXCR4 gebruiken. Herkenning door HIY-1 van de genoemde receptoren CD4, CCR5 en CXCR4 wordt bepaald door het HIY-1 envelopeiwit gpl20. Dit HIY-1 eiwit wordt geproduceerd in de gastheercel in de vorm van een voorloper eiwit, gplóo, dat aan het eind van het productie roces in twee stukken geknipt wordt. Het ene deel, gp41, bevat een structuur die het mogelijk maakt om dit eiwit te verankeren in het virus membraan. Gp41 is geclusterd met 2 soortgenoten en alle drie kunnen ze het andere deel, gpl20, binden. Het aldus ontstane eiwitcomplex bevindt zich aan de buitenkant van het virus. Het afdekken (neutraliseren) van het gpl20/gp41 complex is een belangrijk mechanisme om herkenning en infectie van nieuwe cellen te voorkomen. Dit afdekken gebeurt meestal door eiwitten die specifieke structuren kunnen herkennen, zogenaamde antistoffen. Deze antistoffen worden door het lichaam gemaakt tijdens de humorale immuunrespons. Helaas is deze afweerrespons, net als andere vormen van immuneresponsen, niet in staat het lichaam te beschermen tegen infectie met HIY-1. Dit proefschrift beschrijft onderzoek dat gedaan is naar de manier waarop virussen kunnen ontsnappen aan de neutraliserende werking van antistoffen. In hoofdstuk 2 is beschreven welke gebieden van het HIV-1 envelopeiwit gpl20 herkent worden door antistoffen die vlak na infectie, in de zogenaamde acute fase, gemaakt worden. Algemeen wordt aangenomen dat tijdens deze acute fase geen antistoffen geproduceerd worden die HIY-1 kunnen neutraliseren. De antistoffen die gevormd worden zouden vooral gericht zijn tegen de onafgemaakte en vrije vorm van gpl20 en gp41 en kunnen primaire virussen zoals die voorkomen in de patiënt niet neutraliseren. In hoofdstuk 12 tonen we echter aan dat juist gedurende de eerst weken na infectie met HIY-1, antistoffen geproduceerd worden die volledige en volmaakte gpl20 eiwitten herkennen. Specifieke herkenning van deze eiwitten correleerde met de neutraliserende capaciteit van de antistoffen. Deze bevinding suggereert dat er tijdens acute HIV infectie wel degelijk neutraliserende antistoffen gemaakt worden, maar dat dit al snel overschaduwd wordt door de productie van antistoffen die het virus niet neutraliseren. Deze niet-neutraliserende antistoffen binden waarschijnlijk gemakkelijker aan gpl20, maar kunnen niet voorkomen dat een cel geïnfecteerd wordt. Eén van de grote artefacten uit de geschiedenis van het HIV onderzoek is dat virussen in het begin vooral werden gekweekt op onsterfelijke T cellijnen. Virussen gekweekt op deze T cellijnen, de T cellijn aangepaste (TCLA) virusstammen, gebruiken CXCR4 voor infectie van de cel en zijn uitermate gevoelig voor neutraksatie door antistoffen en door een oplosbare vorm van CD4 (de primaire receptor voor HIV gpl20). Het gebruik van deze TCLA virussen heeft menig vaccinonderzoek gefrustreerd, daar in vivo (in de patiënt) geen enkel effect van antistoffen werd waargenomen ondanks een sterk neutraliserend effect in vitro, in het laboratorium. Achteraf bezien bleek dat primaire virussen, die rechtstreeks uit een patiënt afkomstig zijn en alleen gekweekt worden op cellen die direct verkregen zijn uit de bloedbaan, niet gevoelig zijn voor neutraliserende antistoffen. Er is dus een verschil in neutralisatie gevoeligheid tussen TCLA en primaire virussen, dat te maken zou kunnen hebben met een 110

6 samenvatting verschil in de werking van het HIV-1 envelopeiwit complex gpl20/gp41. In hoofdstuk 3 en 4 beschrijven we onderzoek gedaan aan virus varianten die verkregen zijn uit een Amerikaanse laboratorium medewerker die per ongeluk geïnfecteerd is geraakt met een prototype TCLA virusvariant, genaamd IIIB. Ondanks de neutralisatie gevoeligheid van TCLA virusvarianten voor antistoffen (in tegenstelling tot de primaire varianten waar patiënten normaal gesproken mee geïnfecteerd zijn) kende de patiënt geen vertraagd ziektebeloop. In hoofdstuk 3 laten we zien dat het virus in de laboratorium medewerker weer resistent werd voor neutralisatie. Dit proces heeft zich waarschijnlijk afgespeeld onder druk van antistoffen, wat suggereert dat de primaire resistente virusvarianten zoals die meestal in vivo voorkomen ontstaan als gevolg van immuunselectie. Daarnaast toonden we aan dat het ontstaan van een IIIB gerelateerd, neutralisatie resistent virus afhankelijk was van mutaties in gpl20 (hoofdstuk] 4). Bij nadere bestudering van die mutaties bleek dat een prominent gelegen aminozuur veranderd was, welke direct betrokken is bij binding van gpl20 aan de CD4 receptor op de gastheercel. Verandering van dit aminozuur kon alleen plaatsvinden tegelijk met enkele andere veranderingen in de structuur van gpl20, wat de flexibiliteit van het originele eiwitcomplex illustreert. Chimpansees worden niet ziek van infectie met HIV-1. In hoofdstukj 5 hebben we bestudeerd of virussen geïsoleerd uit deze dieren veranderd waren in hun gevoeligheid voor neutralisatie. We vonden dat deze virussen erg gevoelig waren voor neutralisatie, passend bij het asymptomatische ziektebeloop. Aangezien HIV- 1 virussen moeilijk repliceerden in chimpansee cellen, lijkt het erop dat het ontstaan van neutralisatie resistente virussen afhankelijk is van hoge replicatie snelheden wat selectie van nieuwe virusvormen vergemakkelijkt. Deze laatste bevinding hebben we kunnen onderbouwen door primaire, neutralisatie resistente virussen een aantal malen door de H9 T cellijn te laten passeren. In hoofdstuk 6 laten we zien dat op deze manier steeds dezelfde neutralisatie gevoelige virusvariant uitgroeit, wat suggereert dat tijdens een gewone virus kweek op bloedcellen deze variant al aanwezig was en direct geselecteerd werd in H9. Waarschijnlijk worden deze virusvarianten ook in vivo geproduceerd, maar worden ze nooit dominant omdat ze in hun uitgroei gehinderd worden door neutraliserende antistoffen, terwijl neutralisatie resistente varianten een groei voordeel hebben en geselecteerd worden. Tot slot wordt in hoofdstuk 17 een overzicht gegeven van de huidige kennis over de eiwit structuur van gpl20 in relatie tot het ontwikkelen van neutraliserende antistoffen, het ontsnappen aan neutraliserende antistoffen door het virus, en strategieën voor het ontwikkelen van een HIV vaccin. 111

7