Human beta defensin 2 selectively inhibits HIV-1 in highly permissive CCR6+CD4+ T cells

Chemokine receptor type 6 (CCR6)+CD4+ T cells are preferentially infected and depleted during HIV disease progression, but are preserved in non-progressors. CCR6 is expressed on a heterogeneous population of memory CD4+ T cells that are critical to mucosal immunity. Preferential infection of these cells is associated, in part, with high surface expression of CCR5, CXCR4, and α4β7. In addition, CCR6+CD4+ T cells harbor elevated levels of integrated viral DNA and high levels of proliferation markers. We have previously shown that the CCR6 ligands MIP-3α and human beta defensins inhibit HIV replication. The inhibition required CCR6 and the induction of APOBEC3G. Here, we further characterize the induction of apolipoprotein B mRNA editing enzyme (APOBEC3G) by human beta defensin 2. Human beta defensin 2 rapidly induces transcriptional induction of APOBEC3G that involves extracellular signal-regulated kinases 1/2 (ERK1/2) activation and the transcription factors NFATc2, NFATc1, and IRF4. We demonstrate that human beta defensin 2 selectively protects primary CCR6+CD4+ T cells infected with HIV-1. The selective protection of CCR6+CD4+ T cell subsets may be critical in maintaining mucosal immune function and preventing disease progression

Endogenous CCL2 neutralization restricts HIV-1 replication in primary human macrophages by inhibiting viral DNA accumulation

Macrophages are key targets of HIV-1 infection. We have previously described that the expressionof CC chemokine ligand 2 (CCL2) increases during monocyte differentiation to macrophages and it is furtherup-modulated by HIV-1 exposure. Moreover, CCL2 acts as an autocrine factor that promotes viral replication ininfected macrophages. In this study, we dissected the molecular mechanisms by which CCL2 neutralization inhibitsHIV-1 replication in monocyte-derived macrophages (MDM), and the potential involvement of the innate restrictionfactors protein sterile alpha motif (SAM) histidine/aspartic acid (HD) domain containing 1 (SAMHD1) and apolipoproteinB mRNA-editing, enzyme-catalytic, polypeptide-like 3 (APOBEC3) family members.Results:CCL2 neutralization potently reduced the number of p24 Gag+cells during the course of either productive orsingle cycle infection with HIV-1. In contrast, CCL2 blocking did not modify entry of HIV-1 based Virus Like Particles, thusdemonstrating that the restriction involves post-entry steps of the viral life cycle. Notably, the accumulation of viralDNA, both total, integrated and 2-LTR circles, was strongly impaired by neutralization of CCL2. Looking for correlates ofHIV-1 DNA accumulation inhibition, we found that the antiviral effect of CCL2 neutralization was independent of themodulation of SAMHD1 expression or function. Conversely, a strong and selective induction of APOBEC3A expression,to levels comparable to those of freshly isolated monocytes, was associated with the inhibition of HIV-1 replicationmediated by CCL2 blocking. Interestingly, the CCL2 neutralization mediated increase of APOBEC3A expression was typeI IFN independent. Moreover, the transcriptome analysis of the effect of CCL2 blocking on global gene expressionrevealed that the neutralization of this chemokine resulted in the upmodulation of additional genes involved in thedefence response to viruses.Conclusions:Neutralization of endogenous CCL2 determines a profound restriction of HIV-1 replication in primaryMDM affecting post-entry steps of the viral life cycle with a mechanism independent of SAMHD1. In addition, CCL2blocking is associated with induction of APOBEC3A expression, thus unravelling a novel mechanism which mightcontribute to regulate the expression of innate intracellular viral antagonistsin vivo. Thus, our study may potentially leadto the development of new therapeutic strategies for enhancing innate cellular defences against HIV-1 and protecting macrophages from infection

Stochastic Gene Expression in a Lentiviral Positive Feedback Loop: HIV-1 Tat Fluctuations Drive Phenotypic Diversity

Stochastic gene expression has been implicated in a variety of cellular processes, including cell differentiation and disease. In this issue of Cell, Weinberger et al. (2005) take an integrated computational-experimental approach to study the Tat transactivation feedback loop in HIV-1 and show that fluctuations in a key regulator, Tat, can result in a phenotypic bifurcation. This phenomenon is observed in an isogenic population where individual cells display two distinct expression states corresponding to latent and productive infection by HIV-1. These findings demonstrate the importance of stochastic gene expression in molecular "decision-making."Comment: Supplemental data available as q-bio.MN/060800

An HIV feedback resistor: auto-regulatory circuit deactivator and noise buffer.

Animal viruses (e.g., lentiviruses and herpesviruses) use transcriptional positive feedback (i.e., transactivation) to regulate their gene expression. But positive-feedback circuits are inherently unstable when turned off, which presents a particular dilemma for latent viruses that lack transcriptional repressor motifs. Here we show that a dissipative feedback resistor, composed of enzymatic interconversion of the transactivator, converts transactivation circuits into excitable systems that generate transient pulses of expression, which decay to zero. We use HIV-1 as a model system and analyze single-cell expression kinetics to explore whether the HIV-1 transactivator of transcription (Tat) uses a resistor to shut off transactivation. The Tat feedback circuit was found to lack bi-stability and Tat self-cooperativity but exhibited a pulse of activity upon transactivation, all in agreement with the feedback resistor model. Guided by a mathematical model, biochemical and genetic perturbation of the suspected Tat feedback resistor altered the circuit's stability and reduced susceptibility to molecular noise, in agreement with model predictions. We propose that the feedback resistor is a necessary, but possibly not sufficient, condition for turning off noisy transactivation circuits lacking a repressor motif (e.g., HIV-1 Tat). Feedback resistors may be a paradigm for examining other auto-regulatory circuits and may inform upon how viral latency is established, maintained, and broken

Ezrin interacts with the SARS coronavirus spike protein and restrains infection at the entry stage

© 2012 Millet et al. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author and source are credited.Background: Entry of Severe Acute Respiratory Syndrome coronavirus (SARS-CoV) and its envelope fusion with host cell membrane are controlled by a series of complex molecular mechanisms, largely dependent on the viral envelope glycoprotein Spike (S). There are still many unknowns on the implication of cellular factors that regulate the entry process. Methodology/Principal Findings: We performed a yeast two-hybrid screen using as bait the carboxy-terminal endodomain of S, which faces the cytosol during and after opening of the fusion pore at early stages of the virus life cycle. Here we show that the ezrin membrane-actin linker interacts with S endodomain through the F1 lobe of its FERM domain and that both the eight carboxy-terminal amino-acids and a membrane-proximal cysteine cluster of S endodomain are important for this interaction in vitro. Interestingly, we found that ezrin is present at the site of entry of S-pseudotyped lentiviral particles in Vero E6 cells. Targeting ezrin function by small interfering RNA increased S-mediated entry of pseudotyped particles in epithelial cells. Furthermore, deletion of the eight carboxy-terminal amino acids of S enhanced S-pseudotyped particles infection. Expression of the ezrin dominant negative FERM domain enhanced cell susceptibility to infection by SARS-CoV and S pseudotyped particles and potentiated S-dependent membrane fusion. Conclusions/Significance: Ezrin interacts with SARS-CoV S endodomain and limits virus entry and fusion. Our data present a novel mechanism involving a cellular factor in the regulation of S-dependent early events of infection.This work was supported by the Research Grant Council of Hong Kong (RGC#760208)and the RESPARI project of the International Network of Pasteur Institutes

Probing entry inhibitors' activity on HIV and development of new fusion inhibitors : integrating evolutionary biology with virology

Tese de doutoramento, Farmácia (Microbiologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2011The general aims of this thesis were: 1) to examine the C2, V3 and C3 envelope regions ofHIV-1 and HIV-2 at the molecular, evolutionary and structural levels; 2) to compare HIV-1and HIV-2 susceptibility to entry inhibitors and assess their potential value in HIV-2therapy; 3) to produce a new fusion inhibitor peptide using evolutionary biology basedstrategies.In the first study (Chapter 2), HIV-1 and HIV-2 were compared at the molecular,evolutionary and structural levels in the C2, V3 and C3 envelope regions. We identifiedsignificant structural and functional constrains to the diversification and evolution of C2,V3 and C3 in the HIV-2 envelope but not in HIV-1. In particular, we found that V3 in HIV-2is less exposed and more conserved than in HIV-1, suggesting fundamental differences inthe biology and infection of these viruses as well as in their susceptibility to entryinhibitors.In the second study (Chapter 3) we measured the baseline susceptibility of HIV-1 and HIV-2primary isolates to different fusion inhibitors and coreceptor antagonists, includingenfuvirtide (T-20) and maraviroc (MVC). MVC inhibited HIV-2 R5 variants at significantlyhigher IC90 concentrations than HIV-1 variants. Moreover, as previously found in HIV-1,susceptibility of HIV-2 R5 variants to MVC was inversely related with CD4+ T cell counts attime of virus isolation. These results suggest that the structure of the envelope complex ofR5 variants changes along the course of infection. More importantly, the results call fornew clinical studies to evaluate the efficacy of MVC in HIV-2 infection and to determine itsbest therapeutic dosage in early and late stage disease. We also provide definitiveevidence demonstrating that T-20 is not useful for HIV-2 therapy.In the final study (Chapter 4), we designed a new HIV fusion inhibitor peptide (P3) basedon the ancestral sequences of the HIV-2 and SIV envelope genes. P3 has an a-helixstructure as demonstrated by circular dichroism. It has broad antiviral activity at thenanomolar range against HIV-1 and HIV-2 primary isolates, including HIV-1 variantsresistant to T-20. Binding ELISA assays and selection of resistant mutants suggest that P3prevents viral fusion by binding to the transmembrane protein in the HR1 region. Thesestudies provide proof of concept that viable antiviral peptides can be constructed usingevolutionary biology strategies. Such strategies should be explored to enhance theproduction of peptide drugs and vaccines.O Vírus da Imunodeficiência Humana do tipo 1 e do tipo 2 (VIH-1 e VIH-2) são os agentes etiológicos do Síndrome de Imunodeficiência Adquirida (SIDA). Embora sejam semelhantes na sua organização estrutural e genómica, estes lentivírus humanos apresentam características antigénicas distintas e partilham uma semelhança genética de apenas 50%. Enquanto o VIH-1 é responsável pela pandemia mundial, a infecção pelo VIH-2 localiza-se sobretudo na África Ocidental, em alguns países europeus como Portugal e França, e na Índia. A infecção pelo VIH-2 tem melhor prognóstico, a progressão para a doença é mais lenta e há melhor controlo imunológico do que na infecção pelo VIH-1. Ao contrário do VIH-1, o arsenal terapêutico actualmente disponível para tratar a infecção por VIH-2 é reduzido. Os fármacos antiretrovirais em uso foram especificamente desenvolvidos para o VIH-1 e, consequentemente, a sua actividade pode ser reduzida ou nula no VIH-2. Este é o caso concreto dos inibidores não nucleosídicos da transcriptase reversa e de alguns inibidores da protease. Neste contexto, os inibidores de entrada poderão ser úteis para tratar a infecção por VIH-2. Contudo, a susceptibilidade dos isolados primários de VIH-2 aos inibidores de entrada é actualmente desconhecida. A susceptibilidade do VIH aos inibidores de entrada é determinada pela qualidade da interacção do vírus com os receptores celulares. O VIH-1 e VIH-2 são substancialmente diferentes a este nível. Por exemplo, o VIH-2 pode ligar-se ao co-receptor CCR5 independentemente do receptor CD4 e da região V3 do invólucro. Por outro lado, as regiões C2, V3 e C3 do VIH-2 são substancialmente diferentes do VIH-1 a nível antigénico. Colectivamente, estes dados indicam que a estrutura e conformação das glicoproteínas de superfície do VIH-1 e VIH-2 são substancialmente diferentes e sugerem que a susceptibilidade e resistência dos dois tipos de vírus aos inibidores de entrada podem também ser diferentes. Os principais objectivos desta tese foram: 1) analisar as características moleculares, estruturais e evolutivas das regiões C2, V3 e C3 no VIH-1 e VIH-2; 2) comparar a susceptibilidade do VIH-1 e VIH-2 aos inibidores de entrada e avaliar o seu potencial terapêutico na infecção por VIH-2; 3) produzir um novo inibidor de fusão para o VIH-2. Para melhor compreender as potenciais diferenças destes dois vírus na resposta aos inibidores de entrada começámos por analisar as características moleculares, estruturais e evolutivas da região V3 e as regiões circundantes C2 e C3, num número significativo de vírus VIH-1 e VIH-2 isolados em Portugal e noutras regiões do globo, com recurso a diferentes metodologias de biologia evolutiva e computacional (Capitulo 2). Apesar da menor variabilidade das 3 regiões no VIH-2, verificámos que a região C3 está sob forte selecção positiva e encontra-se exposta à superfície sugerindo que, tal como no VIH-1, esta região poderá constituir um domínio neutralizante. No entanto, ao contrário do VIH-1, a maioria das mutações adaptativas no VIH-2 são prejudiciais e levam à extinção das linhagens virais pelo que o efeito final é um forte constrangimento à variabilidade das regiões analisadas. Ao contrário do VIH-1, verificámos que a ansa V3 do VIH-2 se encontra oclusa no complexo glicoproteico do invólucro, numa conformação que parece ser estabilizada por interacções que mantém com alguns resíduos da regiões C2 e C3. Estes resultados são consistentes com o facto de a V3 não ser imunodominante no VIH-2, ficando assim mais protegida da resposta imunitária e das eventuais mutações que dela resultam. A forte conservação da V3, da C2 e da C3 também é consistente com a sua potencialmente importante actividade imunosupressora. Em conclusão, este primeiro estudo permitiu caracterizar algumas das características estruturais e funcionais que distinguem as glicoproteínas do invólucro do VIH-1 e do VIH-2 e que estão associadas às diferentes características biológicas e fenotípicas destes dois vírus. Estes dados podem ter impacto na resposta dos dois vírus aos inibidores de entrada (analisado no Capítulo 3) e no desenvolvimento de novas vacinas. No segundo estudo (Capítulo 3) comparámos a actividade antiviral dos antagonistas dos coreceptores (AMD3100, TAK-779 e maraviroc) e dos inibidores de fusão (T-20 e T-1249) entre um grupo de 20 isolados de VIH-2 (19 isolados primários + um isolado laboratorial) e nove isolados de VIH-1 (sete isolados primários + dois isolados laboratoriais). Verificámos que a sensibilidade ao AMD3100 e ao TAK-779 é semelhante no VIH-1 e o VIH-2. No entanto, o perfil da curva dose-resposta do maraviroc (MVC) obtido para os isolados R5 foi diferente nos dois tipos de vírus. No VIH-2 os valores de IC90 foram significativamente mais elevados do que no VIH-1; por outro lado, os declives da curva dose-resposta foram mais baixos no VIH-2 do que no VIH-1. Colectivamente, estes resultados sugerem que poderão ser necessárias concentrações mais elevadas de MVC para tratar os doentes infectados pelo VIH-2. Adicionalmente, encontrámos uma correlação forte e de sentido inverso entre as susceptibilidade do VIH-2 ao MVC e o número de células T CD4+ dos doentes quando os vírus foram isolados. Vírus isolados em doentes em fase de SIDA foram menos susceptíveis ao MVC do que os vírus isolados em doentes com uma contagem de células T CD4+ superior a 200 células/ul. Ao contrário do VIH-1 não encontrámos qualquer correlação entre a carga da V3 e a susceptibilidade dos isolados R5 de VIH-2 ao MVC. De um modo geral, os nossos resultados sugerem que são necessários ensaios clínicos para avaliar a efectividade do MVC na infecção pelo VIH-2, determinar a dose terapêutica mais adequada e esclarecer se é necessário fazer um ajuste de dose de acordo com a fase da doença. Adicionalmente, e uma vez que isolados VIH-2 X4 e populações duplas/mistas são totalmente ou parcialmente resistentes ao MVC, é de extrema importância o desenvolvimento de um ensaio de tropismo (genotípico e/ou fenotípico) para o VIH-2 de modo a determinar o tropismo antes do início da terapia com MVC. Sem o conhecimento prévio do tropismo viral, o tratamento com MVC poderá seleccionar espécies X4 minoritárias que estão associadas a maior resistência à neutralização e uma progressão mais rápida da doença. No que diz respeito aos inibidores de fusão, verificámos que o T-20 tem actividade reduzida no VIH-2, confirmando estudos anteriores realizados com dois isolados laboratoriais. Por outro lado, observámos uma elevada susceptibilidade deste vírus ao T- 1249, indicando que os inibidores de fusão são potencialmente eficazes na infecção pelo VIH-2. Assim, o desenvolvimento de um novo inibidor de fusão do VIH-2 foi o objectivo do último estudo desta tese (Capítulo 4). No Capítulo 4, desenvolvemos novos péptidos inibidores de fusão a partir da reconstrução de sequências ancestrais da glicoproteína gp36 do invólucro de VIH-2 e de Vírus de Imunodeficiência dos Símios (VIS). Com esta abordagem inovadora pretendemos incorporar a história evolutiva dos vírus na sequência dos péptidos e desta forma melhorar a tolerância destas moléculas aos polimorfismos naturais da sua região alvo bem como às mutações de resistência seleccionadas na sua presença. Obteve-se um péptido ancestral (P3) constituído por 34 aminoácidos, cuja sequência corresponde às posições homólogas 628 – 661 da proteína Env do isolado VIH-1 HXB2 (ou 623 – 656 do isolado VIH-2 ROD). A sequência do P3 difere em 21 aminoácidos da sequência consenso de VIH-1, 14 aminoácidos da sequência do T-20 e 6 aminoácidos da sequência consenso de VIH-2. Ao contrário da natureza não-estruturada do T-20, o P3 tem uma conformação típica em hélice-a, o que lhe poderá conferir maior a estabilidade contra a degradação proteolítica, bem como maior afinidade para a região alvo. Por outro lado, o P3 foi facilmente solúvel em soluções aquosas o que é uma vantagem num futuro desenvolvimento de uma fórmula farmacêutica. O P3 demonstrou ter uma forte actividade antiviral contra isolados primários e laboratoriais de VIH-1 e VIH-2 (IC50 médio, 11 nM para o HIV-1 e 63.8 nM para o HIV-2), incluindo variantes resistentes ao T-20 (IC50, 0.15 – 11.8 nM). Através da passagem consecutiva de vírus em cultura na presença do péptido, foi seleccionada uma mutação de resistência na região HR1 da gp41 (VIH-1), a qual é responsável pela redução da susceptibilidade do VIH-1 ao P3 em 120x. Nas mesmas condições, e após 60 dias em cultura, não foi possível seleccionar mutações de resistência ao P3 no VIH-2. Estes resultado, em conjugação com a sua forte ligação à glicoproteína transmembranar de um isolado de VIH-2, indicam que, tal como outros péptidos baseados na região HR2 (T-20, T- 1249), o P3 inibe a entrada do VIH pela interacção com a região HR1 da gp41 e sugerem que a barreira genética para a resistência ao P3 é significativamente superior no VIH-2 do que no VIH-1. Neste estudo demonstrámos ainda que o P3 é significativamente menos antigénico do que o T-20 nos doentes infectados pelo VIH-1 o que poderá traduzir-se numa maior duração da eficácia clínica do P3 em comparação com o T-20. Os resultados obtidos com o P3 demonstram pela primeira vez que é possível desenvolver péptidos com actividade antiviral significativa utilizando metodologias de biologia evolutiva, pelo que esta abordagem poderá ser explorada no futuro para a produção de medicamentos peptídicos e, eventualmente, de vacinas

The DNA damage response promotes Polyomavirus JC infection by nucleus to cytoplasm NF-Kappa B activation.

Background: Infection of glial cells by human neurotropic polyomavirus JC (JCV), the causative agent of the CNS demyelinating disease progressive multifocal leukoencephalopathy (PML), rapidly inflicts damage to cellular DNA. This activates DNA damage response (DDR) signaling including induction of expression of DNA repair factor Rad51. We previously reported that Rad51 co-operates with the transcription factor NF-κB p65 to activate JCV early transcription. Thus Rad51 induction by JCV infection may provide positive feedback for viral activation early in JCV infection. DDR is also known to stimulate NF-κB activity, a phenomenon known as nucleus to cytoplasm or “insideout” NF-κB signaling, which is initiated by Ataxia telangiectasia mutated (ATM) protein, a serine/threonine kinase recruited and activated by DNA double-strand breaks. Downstream of ATM, there occurs a series of posttranslational modifications of NF-κB essential modulator (NEMO), the γ regulatory subunit of inhibitor of NF-κB (IκB) kinase (IKK), resulting in NF-κB activation. Methods: We analyzed the effects of downstream pathways in the DDR by phosphospecific Western blots and analysis of the subcellular distribution of NEMO by cell fractionation and immunocytochemistry. The role of DDR in JCV infection was analyzed using a small molecule inhibitor of ATM (KU-55933). NEMO sumoylation was investigated by Western and association of ATM and NEMO by immunoprecipitation/Western blots. Results: We show that JCV infection caused phosphorylation and activation of ATM while KU-55933 inhibited JCV replication. JCV infection caused a redistribution of NEMO from cytoplasm to nucleus. Co-expression of JCV large Tantigen and FLAG-tagged NEMO showed the occurrence of sumoylation of NEMO, while co-expression of ATM and FLAG-NEMO demonstrated physical association between ATM and NEMO. Conclusions: We propose a model where JCV infection induces both overexpression of Rad51 protein and activation of the nucleus to cytoplasm NF-κB signaling pathway, which then act together to enhance JCV gene expression

Differentially-Expressed Pseudogenes in HIV-1 Infection.

Not all pseudogenes are transcriptionally silent as previously thought. Pseudogene transcripts, although not translated, contribute to the non-coding RNA pool of the cell that regulates the expression of other genes. Pseudogene transcripts can also directly compete with the parent gene transcripts for mRNA stability and other cell factors, modulating their expression levels. Tissue-specific and cancer-specific differential expression of these "functional" pseudogenes has been reported. To ascertain potential pseudogene:gene interactions in HIV-1 infection, we analyzed transcriptomes from infected and uninfected T-cells and found that 21 pseudogenes are differentially expressed in HIV-1 infection. This is interesting because parent genes of one-third of these differentially-expressed pseudogenes are implicated in HIV-1 life cycle, and parent genes of half of these pseudogenes are involved in different viral infections. Our bioinformatics analysis identifies candidate pseudogene:gene interactions that may be of significance in HIV-1 infection. Experimental validation of these interactions would establish that retroviruses exploit this newly-discovered layer of host gene expression regulation for their own benefit