Asier Sáez-Cirión, PhD Unité HIV Inflammation et Persistance

Institut Pasteur

A look at HIV‐1 journey inside the cell

Source: Monsef Benkirane

Source: NIH USA, redrawn by Carl Henderson

HIV-1 virion and genome organization

Structural and regulatory proteins:essential for viral replication

Accessory proteins: important determinants of virulence due to their ability to manipulate the host cell physiology for the benefit of the virus

Different steps that are targeted byantiretroviral molecules

Fusion inhibitors

Reverse transcription inhibitors

Integration inhibitors

Proteaseinhibitors

HIV‐1 replication depends on a complex interaction between viral and cellular factors

Adapted from Rambaut et al Nat Rev Gen 2004

HIV infects cells from the immune system, whichcontribute to its dissemination and persistance

T cells (47,CCR6+)macrophages

T cells

Microglial cells

Follicular DCsT Follicular Helper

hematopoietic progenitor cells?

CD4+ T lymphocytes Monocytes/macrophagesDendritic cells

However the virus does not replicate similarlyin these cells

The dynamics of viral replication are extremely different in T cells and myeloid cells.

Slow replication in myeloid cells has beenlinked to: Larger cytoplasm Decreased pool of dNTPs

CD4+ T cells

Macrophages

Dendriticcells

Saez‐Cirion et al unpublished

Different susceptibility of myeloid cells to HIV‐1

Monocytes

Dendritic cells Macrophages

Immature Mature Non activated Activated

HIV Resistant

HIV‐1 PermissiveHIV‐1 moderatelyPermissive

HIV Resistant HIV Resistant

Finzi et al. Cells 1997

The type of the cell HIV is infecting is going to determine its persistence

Cell susceptibility to infection

Establishment of HIV reservoir is a multifaceted process

Restriction factors

APOBEC3 proteinsTRIM5α proteinsBST‐2/TetherinSAMHD1MX2p21Others (?)

Dependence factors

Brass et al Science 2008

NIAID

Cell susceptibility to infectionSurvival to HIV infection

Resistance to HIV induced apoptosisEscape immune surveillance

Establishment of HIV reservoir is a multifaceted process

CTL

Finzi et al. Cells 1997

Cell susceptibility to infectionSurvival to HIV infection

Resistance to HIV induced apoptosisEscape immune surveillance

Cell Persistence 

Half lifeTurnover

Establishment of HIV reservoir is a multifaceted process

HIV replication and the balance between restriction and dependence factors 

Restriction factors

APOBEC3 proteinsTRIM5α proteinsBST‐2/TetherinSAMHD1MX2p21Others (?)

Dependence factors

Brass et al Science 2008

IFN HIV restriction factors

Ѵ Apolipoprotein B mRNA‐editing, enzyme‐catalytic polypeptide‐like 3 

APOBEC3

Ѵ Bone marrow stromal cell antigen 2BST‐2/Tetherin

Ѵ Tripartite motif proteinsTRIM

SAM domain and HD domain 1SAMHD1

Ѵ Myxovirus resistance B MxB

Ѵ IFN‐induced transmembrane proteinsIFITMs

From Harris R S et al. J. Biol. Chem. 2012;287:40875-40883©2012 by American Society for Biochemistry and Molecular Biology

Sheehy et al.,2002; Conticelloetal.,2003; Harrisetal.,2003; Mangeat et al.,2003;Marianietal.,2003 

HIV restriction by APOBEC3GAPOBEC3G interferes with reverse transcription by inducing numerous 

deoxycytidine to deoxyuridine mutations in the negative strand of the HIV DNA 

Hattlmann Mol Biol Int 2012Barr et al Plos Pathogens. 2008Kajaste‐Rudnitski et al J Virol. 2011Ghezzi et al AIDS 2013

TRIM22

Stremlau et al Nature 2004, PNAS 2006Sayah et al Nature 2004Pertel et al Nature 2011Ganser‐Pornillos et al PNAS 2011Mandell et al Dev Cell 2014

TRIM5αProteasomeAutophagy

Diaz‐Griffero F, Viruses 2011

Allouch et al CHM 2011

TRIM28

TRIM28

HIV restriction by TRIM proteinsTRIM5 present in cytoplasmic bodies recognizes motifs within the capsid proteins and interferes with the uncoating process, preventing successful reverse transcription and transport to the nucleus of the viral genome

HIV restriction by MxB

MxB and HIV‐1 Multitropic or ill‐defined mechanism? 

Haller et al Trends in Immunology 2015

The Mx dynamin‐like GTPases are key antiviral effector proteins of the type I and type III interferon (IFN) systems 

AP1

From Harris R S et al. J. Biol. Chem. 2012;287:40875-40883

Neil et al, 2008; Van Damme et al, 2008; Perez‐Caballero  et al, 2009

HIV restriction by Tetherin/BST‐2

Neil, S.J., Zang, T., and Bieniasz, P.D. 2008. Nature 451:425–430.

Tetherin acts to physically tether budding virions to the cell surface of productively infected cells

Tetherin/BST‐2 as an exemple of species adaptation to host anti‐viral factors

Sauter Frontiers in Microbiology 2014

Related viruses have devised different means to counteract these factors

Uncoatingand reverse transcription

Entry and earlypost‐entry blocks

Exit block

Adapted from Suzuki and CraigieNature Reviews Microbiology 2007

TRIM5α

APOBEC3G

H. G. Göttlinger, Nature 2008

Tetherin

Vif

Ca

Vpu

IFITMNuclearentry

MxB

Fusion

SAMHD1

Vpx

HIV restriction factors

SAMHD1True barrier to HIV replication in non cycling cells 

0.01

0.1

1

10

100

1000

10 14 17

p27 (ng/ml)

Days post‐infection

Vpx WTDvpx

HIV‐2Gh‐1

Vpx is requiredfor HIV‐2 and SIVmacreverse transcription

in macrophages

But not essential for HIV‐1 0,01

0,1

1

10

100

1000

4 8 12 15Days post‐infection

p24 (ng/ml)

HIV‐1BaL

Monsef Benkirane

From Harris R S et al. J. Biol. Chem. 2012

Lahouassa H et al. Nat Immunol. 2012

SAMHD1 two possible mechanisms:Degradation of the dNTP pool, RNAse activity

Lim and Emmerman. Nature 2011

SAMHD1 responsible for the block in resting CD4+ T cells and reduced susceptibility in myeloid cells

Descours et al, Retroviroly 2012

Cribier A. et al. Cell Reports, 2013

Phosphorylation of SAMHD1 is critical for its anti‐HIV activity

Benkirane et al 

• p21: cyclin‐dependent kinase inhibitor (CDKI) (Harper J. Cell, 1993, Xiong Y, Nature, 1993). 

• p21 plays a critical role in the control of cell growth (Sherr CJ & Roberts JM Genes & development, 1995).

• p21 plays a role in monocyte differentiation and survival (Xaus J, Immunity, 1999, Asada M, EMBO J, 1999) 

p21Waf1/Cip1 a metabolic barrier to HIV replication 

FcR

Bergamaschi et al., J Virol, 2009

Perez‐Bercoff et al., J Virol, 2003,  David et al., J Immunol, 2006

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

US IVIg

p21m

RNA (Fold chan

ge)

p21 expressionBioluminescence Luciferase

Late RT

Copies per 100ng

 DNA

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Ctrl si‐p21 si‐Neg

USS

p21 block HIV‐1 reverse transcription in macrophages

FcR

FcR

IC

p21 knockdowns intracellular dNTP levels by interfering with their synthesis via E2F1 and RNR2 

Allouch A. et al., PNAS, 2013

dATP

Numerous cell factors pave the way to  HIV infection

Brass et al Science 2008

Entry: surface receptors critical also for post‐entry events of viral replication  

Cicala PNAS 2005Sodhi et al Nat Rev Mol Cell Biol 2004

R5 and X4 HIV envelopes induce distinct gene expression profiles

Arhel et al. Nat Methods 

Intracellular trafficking: moving swiftly to the nucleus

McDonald JCB 2002

HIV‐1 depends on microtubules and actin filaments to move inside the cell

Model for HIV‐1 integration site selection.After entry into the nucleus through thenuclear pore, the viral DNA integrates into theactive chromatin closest to the

HIV‐1 integration occurs close to the nuclear pore

Marini et al Nature 2015 

LEDGF/p75 acts as a chromatin docking factorLEDGF/p75 tethers HIV integrase tochromatin, protects it from degradation,and strongly influences the pattern of HIVintegration

LEDGF/p75 may repress HIV expression inlatently infected cells by maintaininghistone occupancy at the HIV promote

Gerard et al Cell Host Microbe 2015 

Sloan and Wainberg Retrovirology 2011 8:52  doi:10.1186/1742‐4690‐8‐52

Multiple HIV DNA forms within the nucleusTranscription from preintegrated or unintegrated DNA may contribute to modify cell environment

Determinants of HIV-1 latency

P‐TEFb

HIV transcription requires the coalition of multiple factors

Van Lint et al Retrovirology 2013

‐ The site of integration

‐ The pool of transcriptionfactors

‐ Chromatin organization

‐ Tat and tat associatedfactors

L. Colin et al Retrovirology 2009

Several mechanisms can contribute to HIV latency

Pomeranz science 2009

Pomeranz science 2009

Chen et al PNAS 2014

Non coding RNAs can block HIV after transcription

HIV hijacks the endosomal sorting complexes required for transport (ESCRT) to mediate virus 

release from infected cells.

HIV assembly ESCRT and… lipids HIV buds from rigid lipid domains and requires cholesterol rich environments

Balasubramaniam and Freed, Physiology 2011

Bernardino de la Serna

Saad et al PNAS 2006

HIV budding can occur at different compartments and this may vary depending on the cell type 

Balasubramaniam and Freed, Physiology 2011

How does all this translate in vivo?

Protection against infectionHIV‐1 Highly Exposed 

Seronegative

Control of infectionHIV‐1/SIV controllers

Study of natural mechanisms of control of HIV‐1 infection

Intravenous drugusers

Risk factor

Needel sharing-drugabuse: 13-31 years

Serology:HBV: 82% HCV: 100%HTLV:80%

Studies in highly exposed seronegativeindividuals

Saez‐Cirion A. et al, Retrovirology 2006

1‐Restriction of R5  viruses linked to:a) CCR5 heterozygous mutations and downregulation of the co‐receptorb) enhanced sensitivity to ‐chemokines

2‐Pantropic restriction of HIV‐1 and other retroviruses during reverse transcription

Three persistent HIV‐1 restriction mechanisms 

identified in the CD4 T cells

Drug development Cure strategies

Time

Progressor

Plas

ma

Vir

al lo

ad

HIC

HIV controllers (HIC): cART naïve infected individualsspontaneously controlling HIV-1 infection for long

periods of time

Lambotte O et al, Clin Infect Dis. 2005Buffassa et al, PLoS One 2011

Since 2009: ANRS CO18  CO21 cohort

~200 HIC <0.5 % of HIV infected patients

CD4+ T cells and macrophages from HIC have reduced susceptibility to HIV‐1 infection

See also Chen et al JCI 2011, Buzon et al JVI 2011; Graf et al PLoS Path 2011

Sáez-Cirión et al Blood 2011

Intrinsic cell resistance may contribute to limit the size of HIV reservoir in HIC

HIC HD VIRp24 in culture sup

erna

tants (ng

/ml)

10‐1

100

101

102

103

104

p<0.00001

p=0.017

CD4+ T cells from HIC have been shown to express high levels of p21 and APOBEC3G

Time

Progressor

Plas

ma

Vir

al lo

ad

Natural or induced Controller

Pancino and Saez‐Cirion. Immunological Reviews. 2013

Long-term control of infection

Optimal T cell response

CTL

Preserve immune functionLimit viral reservoirsLow dose infection

Early treatment

Cell restriction Innate responses (NK/pDC)

Reduced dynamics of viral replication