Dynamics of HIV coreceptors and their utilization by plasma and cerebrospinal fluid HIV-1 isolates

Abstract

HIV-1 infection of CD4+ immune cells requires the assistance of cellular coreceptors. The regulation of these receptors is highly dynamic. In addition to the major coreceptors, CCR5 and CXCR4, several alternative coreceptors mediate entry for selected HIV isolates in vitro, although their role in vivo is yet to be established. Compartmentalized HIV-1 infection of the central nervous system (CNS) may cause neurological disease such as dementia. Several coreceptors that are distributed in the brain may mediate viral replication and contribute to neuropathogenesis. In early HIV infection virus phenotypes that use CCR5 (R5) predominate whereas the acquisition of CXCR4 use (X4 or R5X4) may occur during disease progression. In addition, R5 virus may develop altered CCR5 use in late stage infection. A CCR5 antagonist (Maraviroc) is now available for the treatment of R5 HIV-1 infection.

We found that pro- and anti-inflammatory substances oppositely regulate monocyte expression of two HIV coreceptors, CCR2 and BLT1. The findings provide information about the regulation of monocyte trafficking during inflammatory conditions such as HIV-1 infection and further suggest that the dynamics of HIV coreceptor expression may be a target for pharmaceutical intervention.

Investigating coreceptor use by paired plasma and cerebrospinal fluid (CSF) HIV-1 isolates we found a predominance of R5 phenotypes able to use CCR3 (R3R5) in CSF, also when X4/R5X4 virus dominated in plasma. R3R5 CSF variants correlated with late stage HIV-1 infection and high CSF viral load. CSF isolates from subtype C HIV-1 infected individuals generally used CXCR6, which also correlated with high viral load. The findings are relevant for the use of coreceptor antagonists to treat CNS HIV-1 infection and suggest that CCR3, a receptor expressed on brain target cells, may be important for HIV replication in the CNS. Furthermore, subtype specific differences in coreceptor use may remain unnoticed when analyzing plasma HIV-1 isolates.

R5 plasma isolates from individuals in late stage HIV-1 infection displayed an altered use of CCR5, as determined by an increased ability to utilize chimeric CXCR4/CCR5 receptors. This correlated with a decreased basal sensitivity to in vitro inhibition by CCR5 antagonists TAK-779 and Maraviroc (MVC). V3 envelope polymorphisms, recently related to reduced virologic response to MVC in clinical trials, were displayed in some of the least susceptible isolates. The results provide theoretical support for an early initiation of CCR5 antagonists in HIV-1 infection.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

HIV består av två besläktade virusvarianter, HIV-1 och HIV-2. Båda kan orsaka uttalad immunbrist (AIDS) hos drabbade individer, men detta sker långsammare vid HIV-2. HIV-1 är viruset som orsakat den globala HIV epidemin medan HIV-2 främst hittas i Västafrika. HIV infekterar kroppens immunceller genom att binda till vissa äggviteämnen på cellytan. Efter inbindning till CD4-molekylen ändrar virusets ytmolekyler sin struktur. Detta underlättar vidare inbindning till en s.k. HIV coreceptor som fungerar som nyckelhål för viruset. Infektionen fullbordas sedan genom sammansmältning av virusets och cellens membraner.



HIV coreceptorer är kroppsegna proteiner som i grunden utgör en slags antenner på bl.a. immunceller. Där är deras normala uppgift att scanna av omgivningen efter meddelande, som till exempel kan röra sig om signaler från platsen för en infektion/inflammation. Immuncellen svarar på signalen genom att röra sig mot platsen för inflammationen för att t.ex. bekämpa främmande organismer som bakterier och virus. Detta kallas kemotaxi och antennerna benämns kemotaktiska receptorer. Av dessa är de viktigaste coreceptorerna för HIV-1 CCR5 och CXCR4. Nästan alla HIV-1 virus kan använda CCR5 som nyckelhål under hela sjukdomsförloppet, men i senare stadier använder viruset från hälften av drabbade individer även CXCR4. Läkemedel som blockerar CCR5 finns nu tillgängligt för behandling av HIV-1 infektion. Ett flertal andra kemotaktiska receptorer har visat sig kunna fungera som coreceptorer i laboratorieförsök men deras betydelse för infektionen hos drabbade individer är oklar.



I Delarbete I visar vi hur uttrycket av två kemotaktiska receptorer, CCR2 och BLT1, regleras av inflammatoriska och anti-inflammatoriska substanser. Båda dessa receptorer är så kallade HIV coreceptorer och uttrycks bland annat på monocyter som är viktiga målceller för HIV. Arbetet har betydelse för förståelsen av hur trafikeringen av monocyter styrs och kan bidra till ökade kunskaper om deras roll vid HIV infektion. Vidare ger arbetet stöd för att läkemedel som är verksamma mot inflammation även skulle kunna påverka cellers mottaglighet för HIV genom att påverka uttrycket av coreceptorer.



HIV viruset invaderar även hjärnan tidigt i förloppet och obehandlad infektion orsakar ofta neurologiska komplikationer och demensutveckling. Målceller för HIV i hjärnan utgörs av immunceller såsom mikroglia och makrofager. Tidigare studier har visat att viruset i hjärnan ofta skiljer sig ifrån blodisolat. I vätskan som omger hjärnan och ryggmärgen (cerebrospinalvätskan) finner man virus som ofta kommer från infekterade hjärnceller. Vi har studerat parade blod- och cerebrospinalvätskevirus från HIV-1 infekterade patienter och har kunnat visa att skillnader i användande av coreceptorer är vanliga.



De viktigaste fynden inkluderar:



1. Virus från hjärnan använde framförallt CCR5 även när det i blodet fanns virus som använde CXCR4. Detta återspeglar sannolikt en fördel att använda CCR5 vid infektion av målceller i hjärnan. Vidare innebär detta att läkemedel som blockerar denna receptor eventuellt kan fungera på hjärninfektionen även när virus i blodet inte påverkas.



2. Coreceptorn CCR3 används i högre grad av isolat från hjärnan och framförallt vid höga virusnivåer i cerebrospinalvätskan. Detta indikerar att CCR3 kan vara viktig för virusets förmåga att replikera i hjärnan. Att högre virusnivåer kunde kopplas till användande av CCR3 ger ett slags bevis för receptorns betydelse i verkligheten som aldrig tidigare visats. Fyndet är av betydelse för förståelsen av hjärninfektionen och öppnar för alternativa behandlingsmöjligheter genom blockad av CCR3.



3. HIV-1 kan indelas i s.k. subtyper varav subtyp C orsakar ca 50 % av den globala epidemin och 80 % av infektioner i Afrika söder om Sahara. Vi fann att hjärnisolaten från flertalet patienter med subtyp C infektion kunde använda receptorn CXCR6 som coreceptor. Även detta sammanföll med oväntat höga virusnivåer i cerebrospinalvätskan. Fyndet gav en hög statistisk säkerhet men bekräftande studier krävs eftersom det rörde sig om få patienter. Resultatet kan ha stor betydelse eftersom höga virusnivåer i cerebrospinalvätska har visat sig korrelera till neurologiska komplikationer vid HIV-1 infektion



4. Vid sena stadier av HIV-1 infektion har viruset utvecklat ett annorlunda sätt att utnyttja coreceptorer, antingen genom att även använda även CXCR4, eller genom att använda CCR5 mer effektivt. Genom att använda oss av genetiskt modifierade CXCR4/CCR5 blandreceptorer kunde vi bekräfta att CCR5 används olika av virus från patienter i tidig och sen HIV-1 sjukdom. Isolaten från patienter med sen sjukdom hade dessutom en nedsatt basal känslighet för CCR5 antagonister som nu finns tillgängliga för behandling av HIV-1 infektion. Fynden indikerar att CCR5 antagonister är mest effektiva innan immunförsvaret hos infekterade individer försvagats så mycket att mindre känsliga virusvarianter dyker upp.

• author: Karlsson, Ulf
• supervisor: Bengt Ljungberg; Marianne Jansson; Joakim Esbjörnsson
• opponent: Ass Prof Nielsen, Claus, Director, Dep of Virology, Statens Serum Institut, Copenhagen, Denmark
• organization: Infection Medicine (BMC)
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Infectious Medicine
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2012:76
• pages: 147 pages
• defense location: Rune Grubb salen, BMC, Sölvegatan 19, Lund
• defense date: 2012-06-08 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87189-39-5
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Division of Infection Medicine (SUS) (013008000)
• id: df978fa7-3bf4-45ad-92d2-7ac6ee851575 (old id 3053738)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:08:06
• date last changed: 2019-05-22 03:53:30