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Intra-host HIV-1 evolution and the co-receptor switch

Carbon-Mangels, Miriam :
Intra-host HIV-1 evolution and the co-receptor switch.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Intra-host HIV-1 evolution and the co-receptor switch
Language: English
Abstract:

The course of an infection with the human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) is characterised by three phases: primary infection, chronic infection and acquired immunodeficiency syndrome (AIDS). These stages are defined based on levels of the number of CD4-positive T-helper cells (CD4+). This characteristic three-staged classification is also reflected in the course of the viral divergence and in the emergence of viral diversity.

It is known that the V3 loop, a region encoded in the HIV envelope gene, is important for T cell infection. The CD4 receptor of the cells is used as primary receptor for viral cell entry, and the CCR5 or CXCR4 are the most important co-receptors that are necessary for cell entry. In about half of all patients, HIV switches from CCR5 towards CXCR4 usage during the late stage of infection, which hints at the onset of AIDS. Since the co-receptor tropism is determined by the V3 loop sequence, an understanding of the mechanisms of its evolution and of the circumstances leading to the co-receptor switch is of high interest. In the first part of the present work, we analysed longitudinal patient data, comprising information on CD4+ cell count, viral load, medication, coinfections and V3 loop sequences. We examined the correlations among the clinical and evolutionary data as well as the co-receptor usage over time, guided by different questions: Is the course of disease one-directional? Can successful drug therapy influence co-receptor usage? What are the genetic differences between CCR5- and CXCR4-tropic viruses?

Due to the weak statistical support of our data, we only found few indications that successful HAART therapy influences the course of disease and the direction of the coreceptor switch. We hypothesise that successful therapy can pause or roll back the course of infection, enabling the CD4+ cells to recover to high levels of immune pressure. A suppression of the viral load further can displace X4-tropic viral variants in the viral population in favour of R5-tropic variants.

In the second part of this work, we derived a fitness function to approximate the replication capacity of R5 and X4-tropic viruses. Based on a set of V3 loop sequences gathered from the Los Alamos HIV data base, the fitness function is composed of two components: the main fitness term describes the amino acid preferences found in the R5 and the X4 consensus sequence, and the additional epistatic term describes the effects of double mutations. While the impact of the main and epistatic fitness contribution can be influenced by a weighting parameter, an additional parameter controls the importance of available CCR5 and CXCR4 positive target cells. The fitness function enabled us to observe the differences of the underlying R5 and X4 fitness landscapes.

A comparison of the sequence data set showed that the R5-tropic viral sequences were highly conserved, in contrast to the X4 sequences. Network analyses confirmed the higher sequence variability of the X4 sequences, which we found to be distributed over a larger sequence space. Interestingly, our analyses revealed that the most weakly conserved sequence positions of the X4 data set were very sensible to mutations. Upon an alteration of the most weakly conserved nt positions, the X4 sequences showed an increased probability to acquire stop condons and to loose their replicative capacity.

The last part of the work describes an in silico approach of the V3 loop evolution based on the R5 and X4 fitness function. Simulations enable us to mimic the sequence evolution in silico, and to monitor the course of the viral diversity and divergence as well as the mean fitness of the simulated viral population over time. First results indicated that our simulation is able to imitate the evolutionary course of the viral diversity and divergence of an HIV infection. In our simulations, the sequence evolution followed a chemically sensible course. Amino acids that differed from the favoured chemical properties were first replaced by amino acids belonging to the favourable chemical class and finally converged into the dominant amino acid in the specific sequence position. The present project was designed to prepare the ground for deeper insights into the evolutionary dynamics of the HIV V3 loop. Our work enabled us to gain broader knowledge of the properties of R5- and X4-tropic viral sequences.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Eine Infektion mit dem humanen Immundefizienz-Virus (HIV) verläuft in drei charakteristischen Krankheitsphasen. Die Phasen können einerseits an Hand der Anzahl der CD4-Zellen unterschieden werden, andererseits kann eine Unterscheidung auf der Grundlage der viralen Diversität und Divergenz statt finden. Für die Infektion der Wirtszellen durch das Virus ist die V3-Region, ein Abschnitt, der im Hüllprotein von HIV kodiert ist, von zentraler Bedeutung. Nach der Bindung von HIV an den CD4-Rezeptor der Zielzellen erfolgt eine Bindung der V3-Region an einen zellulären Korezeptor, welcher in den meisten Fällen ein CCR5- bzw. CXCR4-Rezeptor ist. Im Verlauf der Infektion kann man bei etwa der Hälfte aller Patienten einen Wechsel des benutzten Korezeptors beobachten. Dieser findet im allgemeinen in einer späten Krankheitsphase statt und kündigt ein rasches Fortschreiten der Infektion an. Bisher ist es nicht gelungen, die Hintergründe und Mechanismen, welche zu diesem Korezeptor-Wechsel führen, komplett aufzuklären. Die vorliegende Arbeit untersucht die Sequenzevolution von HIV-1 mit besonderem Augenmerk auf die Unterschiede zwischen R5-trophen und X4-trophen Viren. Der erste Teil beruht auf Daten von HIV-1-infizierten Patienten, die über mehrere Jahre beobachtet wurden. Basierend auf Publikationen aus der Zeit der beginnenden HIV-Forschung verglichen wir die Daten von akuellen Patienten mit den früheren Beobachtungen, um Unterschiede im Verlauf der Infektion zu untersuchen zwischen nahezu untherapierten Patienten und Patienten, die mit moderner Kombinationstherapie behandelt wurden. Wir fanden dabei erste Hinweise, dass die grundsätzlichen Beobachtungen der frühen Studien auch für Patienten mit modernen Therapieansätzen Bestand haben, wobei die Daten einen Unterschied im zeitlichen Verlauf der Infektion zwischen HAART-therapierten und therapie-naiven Patientengruppen andeuten. Unsere Untersuchungen lassen die Vermutung zu, dass aktuelle Therapien den Krankheitsverlauf verlangsamen und für begrenzte Zeit sogar stoppen oder zurück setzen können. Diese Hypothese konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeit auf Grund der unzureichenden Datenlage allerdings nicht bestäigt werden. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchten wir die Unterschiede zwischen den R5-trophen und X4-trophen Viren an einem umfangreichen frei verfügbaren Sequenzdatensatz. Nach der Klassifizierung der Sequenzen in R5- und X4-trophe Varianten untersuchten wir zunächst die Unterschiede der R5 und X4 Konsensussequenz. Wir konnten frühere Ergebnisse bestätigen, nach denen die R5-trophen Viren stärker konserviert sind, und nach denen bei X4-trophen Viren eine Dominanz von positiv geladenen Aminosäuren in den Korezeptor bestimmenden Sequenzpositionen 11 und 25 vorliegt. Auf Basis des R5- und des X4-Datensatzes entwickelten wir zwei unabhängige Fitnessfunktionen, die die Replikationsfähigkeit der R5- beziehungsweise der X4-trophen Viren mathematisch beschreiben. Die Fitnessfunktionen bestehen jeweils aus zwei Beiträgen. Der erste Fitnessterm beschreibt die Fitness der Aminosäureabfolge der V3-Region der HIV-1 Sequenz, wohingegen der zweite Teil die Auswirkung von epistatischen Wechselwirkungen von Paaren von Sequenzmutationen auf die replikative Fitness berechnet. Auf der Grundlage dieser Fitnessfunktionen waren wir in der Lage, die Fitnesslandschaften der R5- und X4-trophen Viren zu vergleichen. Wir stellten dabei fest, dass sich die stark konservierten Sequenzen der R5-trophen Viren in direkter Nachbarschaft im Sequenzraum befinden, während sich die Sequenzen der X4-trophen Viren über einen größeren Bereich des Sequenzraumes erstrecken. Unsere Ergebnisse stimmten mit den Beobachtungen anderer Forschungsgruppen überein. Die beiden Fitnessfunktionen bildeten das Herz einer sequenzbasierten Simulation der Evolution der V3-Region, die wir im dritten Teil dieser Arbeit beschreiben. Wir konnten zeigen, dass unsere Simulation die Evolution von zufälligen Sequenzen hin zur R5- bzw. zur X4-Konsensussequenz ermöglicht. Darüber hinaus folgen die Simulationen chemisch sinnvollen Pfaden. Wir konnten beobachten, dass sich anfänglich nicht optimierte, mutierte Sequenzpositionen zunächst in Richtung der korrekten chemischen Gruppe (z.B. positiv geladene Aminosäure) und in folgenden Replikationen weiter zur korrekten Konsensusaminosäure entwickelten. Unsere Simulationen ermöglichen daher Modelluntersuchungen der Evolution von artifiziellen Sequenzen der V3-Region, die nicht den Restriktionen einer groß angelegten Patientenstudie unterliegen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
Divisions: 10 Department of Biology
10 Department of Biology > Computational Biology and Simulation
Date Deposited: 30 Jan 2014 13:36
Last Modified: 30 Jan 2014 13:36
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-37707
Referees: Hamacher, Prof. Dr. Kay and Thiel, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 18 December 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3770
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