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Ultrastructural analysis of HIV-1 infection in human cells

Welsch, Sonja

German Title: Elektronenmikroskopische Analyse von HIV-1 Infektion in primären menschlichen Zellen

English Title: Ultrastructural analysis of HIV-1 infection in human cells

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PDF, German
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Abstract

Das Humane Immundefizienz-Virus (HIV) ist der Auslöser des erworbenen Immundefizienz-Syndroms (acquired immune deficiency syndrome, AIDS). HIVInfektion, weltweit eine der problematischsten Infektionskrankheiten, betrifft etwa 40 Millionen Menschen und tötet schätzungsweise 3 Millionen Menschen jährlich. Obwohl die Behandlung von HIV-Patienten heute möglich ist, gibt es weiterhin keinen Impfschutz und keine Heilung. Mit der vorliegenden Arbeit habe ich Zellbiologie und Virologie vereint, um mittels quantitativer Elektronenmikroskopie (EM) neue Einblicke in die HIV-Infektion zu gewinnen. Im ersten Teil habe ich die Verteilung eines zellulären, ESCRT benannten, Proteinkomplexes analysiert. ESCRT ist essentiell für die Freisetzung von HIV aus infizierten Zellen und spielt sowohl beim Sortieren von Proteinen in die internen Vesikel eines multivesikulären endosomalen Kompartiments (multivesicular body, MVB) als auch bei der Bildung dieser Vesikel eine Rolle. ESCRT fand sich im gesamten endosomalen System einschliesslich der Plasmamembran, und war besonders an tubulär-vesikulären endosomalen Membranen, aber nicht an MVBs, angereichert. Entgegen der Erwartungen führte HIV-Infektion nicht zu einer Umverteilung von ESCRT zu den Orten der Virusfreisetzung aus Zellen, der Plasmamembran in primären humanen T Zellen bzw. Endosomen in Makrophagen. In T-Zellen fand sich mehr ESCRT an der Plasmamembran als in Makrophagen, was darauf hindeutet, dass endogene ESCRT Mengen für die HIV-Freisetzung hinreichend sind. Die Ergebnisse weisen auch auf eine bisher unbekannte Rolle von tubulär-vesikulären endosomalen Membranen bei der Funktion von ESCRT hin. Im zweiten Teil habe ich den Ort der HIV-Freisetzung aus infizierten Makrophagen mittels EM untersucht. Neuere Studien wiesen darauf hin, dass neu gebildete HIV-Partikel in die Endosomen infizierter Makrophagen entlassen werden und somit in intrazellulären Speichern akkumulieren, die die Heilung infizierter Patienten erschweren könnten. Übereinstimmend mit bekannten Daten zeigte unsere EM-Analyse von Makrophagen, dass Viren in grossen, intrazellulären Vakuolen akkumulierten. Eine Methode zur eindeutigen Unterscheidung von endosomalen Membranen und der Plasmamembran offenbarte aber die komplexe Morphologie der Plasmamembran mit vielen Aus- und Einstülpungen. In diesen tiefen Einstülpungen, die nicht von endosomalen Membranen, sondern von der Plasmamembran begrenzt werden, wurden Viruspartikel freigesetzt und angehäuft. Dieses Ergebnis eröffnet einen neuen Blickwinkel auf die HIV-Infektion von Makrophagen, besonders deren mögliche Rolle bei der Persistenz von Viren. Zusammenfassend haben diese Daten eine wichtige Bedeutung hinsichtlich der scheinbar zentralen Rolle von MVBs/Endosomen bei der HIV-Freisetzung als auch der Rolle von ESCRT bei deren Bildung.

Translation of abstract (English)

Human immunodeficiency virus (HIV), the causative agent of Acquired Immune Deficiency Syndrome (AIDS), is a major infectious disease problem that affects over 40 million people worldwide, with an estimated 3 million deaths per year. Although major advances were made in the treatment of HIV-infected individuals, a protective vaccine or an effective way to eliminate HIV from infected individuals is still lacking. In this study, I combined cell biology and virology to obtain new insights into HIV-infection by quantitative electron microscopy. In the first part, I analyzed the localization of a cellular protein complex, termed ESCRT, recently found to be essential for HIV release from infected cells. ESCRT was also shown to be involved in protein sorting into, and formation of, intralumenal vesicles of a specialized endosomal compartment, the multivesicular body (MVB). ESCRT subunits localized throughout the endocytic pathway, including the plasma membrane and were found to be particularly concentrated on tubular-vesicular endosomal membranes but not on MVBs. Unexpectedly, ESCRT was not redistributed to the presumed site of HIV budding upon infection, the plasma membrane and endosomes in primary human T cells and macrophages, respectively. ESCRT localized more to the cell surface in T cells than in macrophages, collectively suggesting that endogenous ESCRT suffices for HIV budding. These findings also suggested a previously unknown role for tubular-vesicular endosomal membranes in the function of ESCRT. In the second part of this study, the site of HIV budding and release from infected macrophages was studied in detail by EM. Recent studies suggested that HIV buds into MVBs of macrophages, thereby accumulating in an intracellular endosomal storage compartment. Such cellular reservoirs of HIV were proposed to hamper clearance of HIV from infected individuals. In agreement with previous data, EM analysis of macrophages showed that virions accumulated in large vacuolar structures. However, an assay that unequivocally discriminated endosomal membranes from the plasma membrane revealed a very complex morphology of the plasma membrane, displaying many protrusions and deep invaginations. HIV budding occurred on such deep invaginations of the cell surface, leading to the accumulation of virions in vacuolar structures that were limited by cell surface-derived membranes rather than endosomal membranes. This finding opens a new perspective on HIV infection of macrophages, in particular their proposed role in virus persistence. Finally, the combined studies have important implications for the presumed pivotal role of MVBs/endosomes in HIV budding as well as the role played by ESCRT in their biogenesis.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Kräusslich, Prof. Hans-Georg,
Date of thesis defense: 31. August 2006
Date Deposited: 18. Sep 2006 13:55
Date: 2006
Faculties / Institutes: Medizinische Fakultät Heidelberg > Hygiene-Institut
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Elektronenmikroskop, HIV, HIV-Infektion, Viren, Makrophage, Cytologie
Uncontrolled Keywords: Zellbiologie , Virologieelectron microscopy , cell biology , HIV , virus , macrophage
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