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The role of nuclear envelope associated proteins in early HIV 1 infection steps

Bulli, Lorenzo

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Abstract

There is increasing evidence that HIV-1 may interact with components associated with the nuclear envelope (NE) during the infection of dividing and non-dividing cells. This ensures correct nuclear import and integration, suggesting that NE may be of greater importance than is currently appreciated. Previous studies have shown that HIV 1 interacts with the nuclear pore complex, followed by nuclear import of the pre-integration complex and preferential integration into genomic areas that are topologically in close proximity to the inner nuclear membrane. To identify host proteins that may contribute to these processes, we performed an overexpression screen of known membrane-associated NE proteins. Two nuclear membrane associated proteins SUN1/UNC84A and SUN2/UNC84B, members of the Linker of Nucleoskeleton and Cytoskeleton complex, were shown to efficiently block nuclear import of certain HIV-1 laboratory strains (HIV-1NL4.3 and HIV-1IIIB) as well as natural strains upon overexpression. The amino-terminal 85-90 amino acid residues were identified as being required for the SUN1-mediated block and it was further demonstrated that the amino-terminal domains of SUN1 and SUN2 interact with HIV-1 in a capsid (CA)-specific way. To test whether depletion of endogenous SUN proteins causes differences in HIV-1 infection, SUN1-/- and SUN2-/- cells were generated with CRISPR/Cas9 and it was found that SUN1 absence did not have any detectable effect on HIV-1 infectivity, whereas the loss of SUN2 resulted in a modest suppressive effect in the accumulation of viral cDNA in the nucleus. The analysis with HIV 2 and other retroviruses suggests that SUN2 gene disruption affects HIV 1 specifically and does not involve any unspecific block to nuclear import. This block to infection was further analyzed in U87MG CD4 / CXCR4 cells with shRNA-reduced SUN2 expression. In this case, the reduction of SUN2 levels resulted in a 5-fold decrease in HIV-1 infection after 24h, in comparison to control cells while infection increased to wild type levels 48h post infection. Overall, the data suggest that SUN2 may help promote the early stages of HIV-1 infection, while the contribution of SUN1 needs to be further investigated. The role of the CA protein and its connection to IFN-α-induced suppression was also investigated, by analyzing the infectivities of HIV-1 CA mutants N74D, A105T, as well as P90A. Despite their relative resistance to ectopically expressed MX2, these CA mutants showed an increased sensitivity to the IFN-α-induced post entry block, which was not dependent on MX2 antiviral activity. The data suggests that CA protein and the capsid core may protect incoming HIV-1 nucleic acids not only from being detected by cytoplasmic DNA sensors, but also from IFN-α-induced effectors, thereby providing dual protection against host defense mechanism.

Translation of abstract (German)

Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass das humane Immundefizienzvirus Typ 1 (HIV-1) während der Infektion von sich-teilenden, sowie ruhenden Zellen mit Komponenten der nuklearen Membran interagiert um den sicheren Kernimport, sowie die korrekte Integration seines Genoms zu gewährleisten. Frühere Studien zeigten bereits die Interaktion von HIV-1 Proteinen mit Proteinen des Kernporenkomplexes, gefolgt vom nuklearen Import, sowie Integration in transkriptionell aktiven Genomregionen, welche topologisch in der Nähe der Kernmembran lokalisieren. Um Wirtsproteine zu identifizieren, die dabei eine Rolle spielen könnten, haben wir einen Überexpressions-Screen von Proteinen durchgeführt, welche mit der Kernmembran assoziiert sind. Dabei identifizierten wir zwei Proteine der inneren Kernmembran, SUN1/UNC84A, sowie SUN2/UNC84B, Komponenten des sogenannten LINC Komplexes, welche sehr effizient die Infektion mit HIV-1 Laborstämmen NL4.3 und IIIB, sowie einigen natürlich vorkommenden Stämmen nach Überexpression blockieren. Die aminoterminalen 85-90 Aminosäuren waren dabei essentiell für den Block durch SUN1 und wir zeigen weiterhin, dass diese Domainen von SUN1 und SUN2 mit HIV-1 CA interagieren können. Um zu testen ob endogenes SUN1 oder SUN2 wichtig sind für die frühen Infektionsschritte von HIV-1, generierten wir SUN1-/-, sowie SUN2-/- knock-out Zelllinien durch CRISPR/Cas9 Technologie. Das Fehlen von SUN1 hatte keinen detektierbaren Effekt auf die ersten Infektionsschritte von HIV-1, wobei das Fehlen von SUN2 die HIV-1 Infektion und insbesondere die Akkumulation von viraler DNA im Nukleus moderat reduzierte. Dieser Effekt konnte in verschiedenen Zellmodellen gezeigt werden, z.B. THP-1 und U87MG, über knock-out durch CRISPR/Cas9, sowie shRNAs-induzierte Reduktion der Expression. Die Resultate schliessen auf einen Defekt im Kerntransport von HIV-1 wenn SUN2 abwesend ist, sowie eine dadurch resultierende Reduktion von Integrationsereignissen. Zusammenfassend scheint SUN2 die HIV-1 Infektion zu fördern, wobei die Rolle von SUN1 im Moment noch unklar ist und weiterer Studien bedarf. Die Rolle des CA Proteins von HIV-1, sowie eine mögliche Verbindung zur IFN-alpha induzierten frühen Suppression der HIV-1 Infektion wurde ebenfalls untersucht. Dabei wurden verschiedene CA Mutanten (P90A, N74D, sowie A105T) analysiert. Erstaunlicherweise, trotz ihrer relative Resistenz gegenüber ektopischer Expression des IFN-induzierten Restriktionsfaktors MX2, waren all diese CA Mutanten hypersensitiv gegenüber IFN-alpha Behandlung, unabhängig von MX2. Die Resultate lassen darauf schliessen, dass CA nicht nur, wie bereits vorher beschrieben das virale Genom vor Wirtszellfaktoren schützt, welche die virale Nukleinsäure erkennen und eine antivirale Reaktion der Zellen hervorrufen, sondern auch beteiligt daran ist, das Virus vor eben diesen IFN-induzierten Restriktionsfaktoren zu schützen. Zukünftige Studien sollten darauf zielen, diese Wirtsfaktoren zu identifizieren und Strategien zu entwickeln, wie diese anti-HIV Faktoren als therapeutisches Mittel genutzt werden können.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Kräusslich, Prof. Dr. Hans-Georg
Date of thesis defense: 10 May 2019
Date Deposited: 03 Jun 2019 08:58
Date: 2019
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Controlled Keywords: HIV, Virology, Cell Biology
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