UNIVERSITEIT GENT
FACULTEIT DIERGENEESKUNDE Academiejaar 2008 – 2009
VIRUSKARAKTERISTIEKEN EN PATHOGENESE VAN EEN HIV INFECTIE
door
Nele GANTOIS
Promotor : Prof. Dr. Nauwynck H.
Literatuurstudie in het kader van de Masterproef
De auteur en de promotor geven de toelating deze literatuurstudie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen hiervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van gegevens uit deze studie. Het auteursrecht betreffende de gegevens vermeld in deze literatuurstudie berust bij de promotor. De auteur en de promotor zijn niet verantwoordelijk voor de behandelingen en eventuele doseringen die in deze studie geciteerd en beschreven zijn.
VOORWOORD Vooreerst zou ik mijn promotor, Prof. Dr. H. Nauwynck, willen bedanken om dit werkje te lezen en kritisch te verbeteren en zo tot een goed eind te brengen. Ook gaat mijn dank uit naar Nicholas Vranken, Gunther Antonissen, Bonnie Valgearen en Joachim Morrens voor hun verbeterwerk en geven van suggesties. Aan mijn familie, bedankt voor jullie eindeloze geduld en steun.
AFKORTINGEN:
AIDS: Acquired Immune Deficiency Syndrome
MALT:Mucosaal geassocieerd lymfoïd weefsel
APOBEC3G: apolipoprotein B-mRNA-editing-
N: niet O en niet M
enzyme-catalytic-polypeptide-like 3G
NC of p7: het nucleokapsiedproteïne
CA of p24: het kapsiedproteïne
Nef: negatieve regulatiefactor
CCR5: CC chemokinereceptor 5
O: Outlier
+
PIC: pre-integratie complex
+
CD8 lymfocyt: CD8 positieve T-lymfocyt
Pol: het polymerase gen
cDNA: complementair DNA
PR: het protease enzyme
CTL: cytotoxische T-lymfocyt
Rev: regulator van de espressie van de virale
CXCR4: CXC chemokinereceptor 4
proteïnen
CypA: het cyclophiline A
RT: het reverse transcriptase
Env: het envelop gen
SIV: Simian Immunodeficiency Virus
Gag: Group specific antigen gen
SU of gp120: de oppervlakte proteïnen
HAART: hoog actieve antiretrovirale therapie
Tat: transactivator van de transcriptie
HIV: Humaan Immunodeficiëntie Virus
TM of gp41: de transmembranaire proteïnen
HLA: humane leucocyten antigeen
TRIM: tripartite interaction motif
IN: het integrase
Vif: virale infectiviteitsfactor
LEGDE/p75: lens epitheliumderived growth
Vpr: viraal proteïne R
factor of transcription coactivator p75
Vpu: viraal proteïne U
M: Major
Vpx: viraal proteïne X
CD4 lymfocyt: CD4 positieven T-lymfocyt
MA of p17: het matrixproteïne
INHOUDSOPGAVE SAMENVATTING ............................................................................................................................................ 1 1
INLEIDING ............................................................................................................................................... 2
2
LITERATUURSTUDIE ............................................................................................................................. 2 2.1
OORSPRONG VAN HET VIRUS ..................................................................................................... 2
2.2
DE KARAKTERISTIEKEN VAN HET VIRUS ................................................................................... 3
2.2.1
Structuur van het virus ........................................................................................................... 3
2.2.2
Genoom van het virus ............................................................................................................ 3
2.2.2.1
De structurele proteïnen ........................................................................................................ 3
2.2.2.2
De accessoire proteïnen ....................................................................................................... 4
2.2.3
De genetische diversiteit van HIV ......................................................................................... 5
2.2.4
De classificatie van de Humane Immunodeficiëntie Virussen ........................................... 5
2.2.5
De replicatiecyclus ................................................................................................................. 5
2.2.5.1
Het extracellulaire deel van de replicatiecyclus .................................................................... 5
2.2.5.1.1 De receptorbinding.......................................................................................................... 5 2.2.5.1.2 Veranderingen in de envelop .......................................................................................... 6 2.2.5.1.3 Co-receptoren ................................................................................................................. 6 2.2.5.1.4 De eigenlijke celfusie ...................................................................................................... 6 2.2.5.1.5 Vermindering CD4 .......................................................................................................... 7 2.2.5.2 2.2.6 2.3
Invloed van cellulaire factoren op de HIV replicatie .......................................................... 10
DE PATHOGENESE VAN HIV ....................................................................................................... 11
2.3.1
Het virus-centrale model van de pathogenese van HIV .................................................... 11
2.3.2
Indirecte mechanismen van de immunopathogenese tijdens een HIV infectie .............. 12
2.3.3
Factoren van virusoverdracht en de eerste stadia van replicatie .................................... 13
2.3.4
De acute fase van een HIV infectie ...................................................................................... 15
2.3.5
De overgang van de acute naar de chronische fase van infectie .................................... 16
2.3.6
De chronische fase van infectie .......................................................................................... 17
2.4 3
Het intracellulaire deel van de replicatiecyclus ..................................................................... 8
DISCUSSIE .................................................................................................................................... 18
LITERATUURLIJST .............................................................................................................................. 19
SAMENVATTING Virussen van het genus Lentivirus, ze zijn een buitenbeentje in meerdere aspecten. Ze zijn in staat om niet-delende cellen te infecteren. De geheugen T-lymfocyten en gedifferentieerde macrofagen vormen de doelwitcellen
van
het HIV. In
deze cellen gaat het
virus
zich
vermeerderen. De
vermeerderingscyclus is uniek, daar er geen, voorafgaand aan de integratie van het virus in het gastheercelgenoom, afbraak van de kernmembraan vereist is en het genoom wordt in het cellulaire DNA als provirus ingebouwd. Eens het virus in de cel aanwezig is volgen verschillende aanpassingen in het celmetabolisme en de celstructuur die de replicatie optimaliseren en de doelwitcellen onherkenbaar maken voor het immuunsysteem. Het infecteren van het HIV van cellen behorende tot het immuunsysteem brengt belangrijke gevolgen met zich mee. In de acute fase van infectie wordt voornamelijk het mucosale immuunsysteem aangetast. Naarmate de infectie vordert, leidt het tot een gegeneraliseerde activatie van het immuunsysteem en een vernietiging van de doelwitcellen. Klinisch uiten deze manifestaties zich in een progressief verlopende ziekte waarbij de opportunistische infecties, die door immunosuppressie de kop kunnen opsteken, van groot belang zijn. Sleutelwoorden: HIV – AIDS – infection – mucosal - transmission
1
INLEIDING
Infectieuze ziekten, ze bestaan al zo lang als de mensheid. Een aantal van deze infectieuze ziekten hebben aanleiding gegeven tot epidemieën en pandemieën tijdens de domesticatie van dieren. Influenza en Tuberculose vormen hier twee belangrijke voorbeelden van. Hoewel sommige van deze historische pandemieën succesvol geëradiceerd werden, geven andere nog steeds aanleiding tot hoge mortaliteit in de populatie en vooral in de ontwikkelingslanden. Het Humane Immunodeficiëntie Virus (HIV) is één van de belangrijkste virussen die de vorige eeuw de kop opstak (Heuverswyn en Peeters, 2008). Dit virus uit zich als het Acquired Immune Deficiency Syndrome (AIDS) dat een dodelijke en tot nog toe ongeneeslijke ziekte is (Votteler en Schubert, 2008). Toen op vijf juni 1981 een publicatie uitkwam dat vijf jonge homoseksuele mannen geïnfecteerd waren met Pneumocytis carinii pneumonie, kon niemand zich voorstellen dat vijfentwintig jaar later ruwweg veertig miljoen mensen met het HIV zouden besmet zijn (Heuverswyn en Peeters, 2008). Er zijn reeds 54 landen waarbij meer dan 1% van de bevolking van het HIV drager is. In de Afrikaanse landen gelegen ten zuiden van de Sahara zijn meer dan 85% van de kinderen onder de 15 jaar met het aidsvirus geïnfecteerd. Kinderen jonger dan 15 in Oost- en Zuid-Azië vormen de tweede grootste groep (UNAIDS, 2004). De AIDS pandemie stelt zonder twijfel één van de grootste medische tragedies voor (Silvestri, 2008). De eerste studies op de pathogenese van het virus toonden aan dat het HIV op drie manieren wordt overgedragen namelijk door middel van seksueel contact, via bloed en bloedproducten en van moeder op kind (Levy, 2009). Heden ten dage is er reeds veel gekend over de viruskarakteristieken en de pathogenese. Naast een groot aantal vastgestelde feiten zijn er echter ook nog onzekerheden en hypothesen over AIDS en een aantal ervan zullen in deze literatuurstudie aangekaart worden. Deze onzekerheden en hypothesen geven aan dat HIV een zeer complex gegeven is waar in de toekomst nog veel onderzoek op zal gedaan worden.
2 2.1
LITERATUURSTUDIE OORSPRONG VAN HET VIRUS
AIDS kan door twee gerelateerde Lentivirussen veroorzaakt worden: HIV-1 en HIV-2. Het is goed gekend en bewezen dat HIV-1 en HIV-2 het resultaat zijn van verschillende transmissies tussen niethumane primaten en de mens. De West-Centrale Afrikaanse Chimpanzees (Pan troglodytes troglodytes) zijn de natuurlijke gastheren van het Simian Immunodeficiency Virus (SIVcpzPtt). Dit subtype van het SIV vormt voorouder van het HIV-1. Het HIV-2 vindt zijn oorsprong in de Roetmangabey (Cercocebus atys), gastheer van SIVsmm. Zowel het HIV als het SIV behoren tot het genus Lentivirus van de familie Retroviridae. De virussen van deze familie hebben een typische structuur en replicatiecyclus. Zoals de naam van het genus reeds aangeeft, veroorzaken deze virussen trage, voortschrijdende ziektes volgend op een lange incubatietijd (Barré-Sinoussi, 1996; Heeney et al., 2006; Heuverswyn en Peeters, 2008; Levy, 2009).
2
2.2
DE KARAKTERISTIEKEN VAN HET VIRUS
2.2.1
Structuur van het virus
Net zoals de andere Lentivirussen draagt het HIV een bilipide-envelop (geel), die wordt verkregen wanneer het virus de gastheercel verlaat en voornamelijk uit de celmembraan
van
de
geïnfecteerde
gastheercel bestaat (Figuur 1). In de bilipidemembraan componenten
worden
ingebed,
namelijk
virale de
transmembranaire proteïnen (TM of gp41). Deze transmembranaire proteïnen zijn niet-covalent
aan
virale
oppervlakteproteïnen gebonden (SU of gp120). Net onder de envelop bevindt zich de
matrix,
gevormd
door
het
Fig. 1 : De algemene structuur van een HIV virus partikel (uit Turner, 1999).
matrixproteïne (MA of p17). Het kapsied is uit ongeveer tweeduizend kopieën van het kapsiedproteïne (CA of p24) opgebouwd. Deze proteïnen vormen een conische, electronendense structuur in het centrum van het mature viruspartikel. Mutaties en deleties in het kapsiedeiwit resulteren in een foute assemblage met een niet functionele structuur tot gevolg (Turner, 1999). Binnenin bevindt zich het genoom, gevormd door twee strengen RNA. Dit genoom wordt door het nucleokapsiedproteïne (NC of p7) gestabiliseerd. Het virus omvat tevens drie enzymes: het protease (PR), het reverse transcriptase (RT) en het integrase (IN). Ook zijn er accessoire proteïnen aanwezig, maar deze worden op figuur 1 niet afgebeeld (Turner, 1999).
2.2.2
Genoom van het virus
Alle retrovirussen dragen minstens drie grote genen die voor de voornaamste structurele componenten van het virus coderen. Elk van deze genen wordt als een polyproteïne gesynthetiseerd, met hun eigen functie. Het ‘Group specific antigen’ (Gag) staat in voor de inwendige structuur van het virus, het polymerase (Pol) voor de virale enzymes en de glycoproteïnen worden door het envelop gen (Env) gevormd (tabel 1) (Votteler en Schubert, 2008). 2.2.2.1
De structurele proteïnen
De envelopproteïnen worden gevormd door de splitsing van een 160 kDa precursor glycoproteïne, het gp160. Hieruit ontstaat een gp120 extraviraal oppervlakte proteïne en een gp41 transmembranair proteïne. Het gp120 is niet-covalent gebonden aan het gp41, die samen het envelopproteïnecomplex vormen. Het complex zorgt voor de binding van het virus aan de gastheercel. Het gp41 staat deels in voor de fusie tussen de virale envelop en de celmembraan (tabel 1 en figuur 2) (Barré- Sinoussi, 1996).
Het transmembranaire proteïne bestaat
uit een amino-terminaal ectodomein, een 3
transmembranair domein en een carboxy-terminaal intraviraal segment dat interageert met het MA (Turner, 1999). Het virale kapsied wordt door de matrixproteïnen omgeven, die net onder de virale envelop gelegen zijn. De matrixproteïnen oefenen hun functie uit in de eerste stadia van de virale replicatie en spelen een rol in de formatie en het transport van het pre-integratie DNA complex in de nucleus van de gastheercel (Barré- Sinoussi, 1996). Deze proteïnen en hun functie worden verder nog besproken. 2.2.2.2
De accessoire proteïnen
Naast de structurele proteïnen en enzymes coderen sommige retrovirussen ook voor kleine eiwitten met een regulatorische functie (Votteler en Schubert, 2008). Zowel het HIV-1 als het HIV-2 dragen de ‘transactivator van de transcriptie’ (tat), de ‘regulator van de expressie van de virale proteïnen’ (rev), de ‘virale infectiviteitsfactor’ (vif), de ‘negatieve regulatiefactor’ (nef) en het ‘viraal proteïne R’ (vpr). Hiernaast draagt het HIV-1 eveneens het ‘viraal proteïne U’ (vpu), terwijl het HIV-2 het ‘ viraal proteïne X’ (vpx) heeft. Het tat-proteïne staat in voor een verhoging van de transcriptie van de virale promotor. De rev-proteïnen zorgen voor de export uit de nucleus (zie verder). Bij afwezigheid van het revproteïne worden geen structurele proteïnen gesynthetiseerd. De nef-proteïnen zijn voor een efficiënte replicatie nodig in vivo. Tat, rev en nef worden niet in het virus ingebouwd, maar zijn de eerste virale componenten die uit het virale RNA gesynthetiseerd worden. De vif- en vpu-proteïnen hebben een invloed op respectievelijk de infectiviteit van celvrije virussen en het vrijkomen van de virussen uit de virus-geïnfecteerde gastheercellen. Vpr lijkt zijn functie tijdens de replicatie van HIV uit te oefenen (Barré- Sinoussi, 1996). De proteïnen en hun functies worden nog eens in tabel 1 weergegeven.
Tabel 1. HIV proteïnen en hun functies (uit Levy, 2007). Naam proteïne
Proteïne/glycoproteïne
Functie
(g/gp) Grootte (kDa) Gag
p24
Kapsied (CA) proteïne
p17
Matrix (MA) proteïne
p7
Nucleokapsied (NC) proteïne; helpt bij de reverse transcriptie
p6
Speelt een rol in de budding
Polymerase (Pol)
p66, p51
Reverse transcriptase (RT)
Protease (PR)
p10
Zorgt voor posttranslationele processing van de virale proteïnen
Integrase (IN)
p32
Desintegratie virale cDNA
Envelop (Env)
gp120
Envelop oppervlakte (SU) proteïne
gp41
Envelop transmembranair (TM) proteïne
Tat
p14
Transactivatie
Rev
p19
Reguleert de virale mRNA expressie
Nef
p27
Pleotroop, kan de virale replicatie verhogen en verlagen
Vif
p23
Verhoogt de virale infectivieit en de cel-cel transmissie; helpt bij de
Vpr
p15
Functie in de virale replicatie; transactivatie
Vpu
p16
Functie in de virusvrijstelling uit de cel; verstoort gp160:CD4 complexen
Vpx
p15
Functie in het binnendringen van de cel en de infectiviteit
Tev
p26
Tat/Rev activiteit
provirale DNA synthese en/of virale assemblage
4
2.2.3
De genetische diversiteit van HIV
Al snel na het aantonen van het HIV werd vastgesteld dat er binnen eenzelfde patiënt sequentievariaties optreden. De sequentievariaties leidden tot de term ‘quasispecies’, welke aangeeft dat het individu, in plaats van met één virusisolaat, met meerdere variaties van het virus geïnfecteerd is. Naargelang het voortschrijden van de infectie veranderen de frequenties van de verschillende varianten. Hierbij stijgen zowel de replicatiepotentiaal als de infectiekans (Barré- Sinoussi, 1996). Hoe deze diverse variaties ontstaan is niet duidelijk, maar het virale reverse transcriptase is erg gevoelig aan fouten en lijkt tot veranderingen in het genoom aanleiding te geven. De betrouwbaarheid van dit enzyme is vele malen hoger bij de transcriptie van RNA ten opzichte van die van DNA, wat erop kan wijzen dat de meeste mutaties ontstaan met de ‘DNA template-DNA primer’. Geschat werd dat tot tien base veranderingen in het HIV-genoom kunnen optreden per replicatiecyclus (Levy, 2007). Het HIV-1 verwerft snel resistentie tegenover alle antivirale middelen. Daarnaast ontstaan escape mutanten om aan de neutraliserende antistoffen en cytotoxische T-cellen te ontsnappen. Binnen het HIV-1 verschillen de genen in hun variabiliteit. Aangetoond werd dat het env-gen veel geconserveerder is dan de gag- en pol-genen. Op het env-gen werden meerdere constante en variabele domeinen geïdentificeerd. Bepaalde variabele domeinen (V1/V2 en V3 domeinen) vormen de bindingsplaats voor de neutraliserende antistoffen. De sequentievariatie ter hoogte van deze domeinen zou het gevolg kunnen zijn van de immuniteitsopbouw en dus aanleiding geven tot een verandering in het celtropisme (Barré- Sinoussi, 1996). 2.2.4
De classificatie van de Humane Immunodeficiëntie Virussen
Door middel van fylogenetische analyses en onderzoek van talrijke isolaten afkomstig van diverse geografische locaties kon het HIV-1 in drie groepen onderverdeeld worden. De eerste groep Major (M) is enerzijds verantwoordelijk voor de pandemie en bezit anderzijds het merendeel aan HIV-1 strengen die wereldwijd voorkomen. De tweede groep Outlier (O) en derde groep ‘niet-M-niet-O’ (N) komen vooral voor in West-Centraal Afrika. Groep M bestaat uit negen subtypes (A-D, F-H en J-K), met daarnaast ook nog recombinanten die circuleren (CRF1-32) in de populatie en unieke recombinanten binnen één individu. Voor het HIV-2 zijn slechts weinig strengen genetisch gekarakteriseerd. Ze worden in acht groepen, gaande van A tot en met H, onderverdeeld (Barré-Sinoussi, 1996;Heeney et al., 2006; Heuverswyn en Peeters, 2008; Levy, 2009). 2.2.5
De replicatiecyclus
2.2.5.1 2.2.5.1.1
Het extracellulaire deel van de replicatiecyclus De receptorbinding
Verschillende studies hebben aangetoond dat de D1-regio van de CD4 molecule, onderdeel van de complement determinerende regio 2, deel uitmaakt van de virusbinding. Op het HIV wordt de voornaamste bindingsplaats voor het CD4 door een geconserveerde regio van het gp120 gevormd. De conformatie van deze regio is belangrijk voor de binding. De binding van het gp120 op het CD4 leidt waarschijnlijk tot een conformatieverandering in zowel het gp120 als het CD4. Verschillende studies toonden eveneens aan dat kleine veranderingen in verschillende regio’s in de virale envelop 5
een effect op de binding aan het CD4 uitoefenen en zodoende ook het tropisme beïnvloeden. Naast een functie als receptor worden in de literatuur nog andere mogelijke functies aan het CD4 toegewezen. Zo zou bijvoorbeeld de conformatieverandering die optreedt na binding van het virus, het binnentreden in de cel bevorderen en dit door een verhoogde interactie met co-receptoren aanwezig op het celoppervlak. De receptorbinding heeft een verhoogde expressie van cytokines en chemokines tot gevolg. Deze kunnen op hun beurt het infectieproces beïnvloeden (Greene en Peterlin, 2002; Sweet et al., 1991; Votteler en Schubert, 2008). Echter is het zo dat de interactie tussen het CD4 en het gp120 alleen niet in staat is een infectie te verwezenlijken. In tegenstelling tot andere retrovirussen hebben de lentivirussen nood aan coreceptoren om de fusie met de gastheercel te laten doorgaan (Turner, 1999; Votteler en Schubert, 2008).
2.2.5.1.2
Veranderingen in de envelop
De conformatieverandering in het gp120 bij binding op het CD4 leidt tot een verplaatsing van het gp120. Deze verplaatsing heeft de blootstelling van een deel van het gp41 tot gevolg. Bepaalde domeinen van het gp41 zijn nodig om de virus-cel fusie te bewerkstellen. Het is echter niet met zekerheid geweten of er nu een volledige dissociatie tussen het gp120 en het gp41 optreedt of niet (Greene en Peterlin, 2002; Votteler en Schubert, 2008).
2.2.5.1.3
Co-receptoren
In een aantal studies die de rol van de CD4-virus-interactie onderzochten, werd aangetoond dat de CD4 receptor op zich niet in staat is om het virus de cel te doen binnendringen. De zoektocht naar deze oppervlaktestructuren leidde tot de conclusie dat chemokinereceptoren hierin een rol spelen. Viraal onderzoek van de verschillende subtypes stelden de rol van CCR5 (CC chemokinereceptor 5) als co-receptor voor macrofagen isolaten en CXCR4 (CXC chemokinereceptor 4) als co-receptor voor de T-cel lijn vast. Deze 2 types van virussen konden onderscheiden worden, en worden respectievelijk als R5- en X4-virussen aangeduid. De R5 virussen mediëren zowel de mucosale als de intraveneuze transmissie van een HIV-infectie, daar X4-virussen voornamelijk in de latere stadia van AIDS worden gevonden (Levy, 1996; Greene en Peterlin, 2002).
2.2.5.1.4
De eigenlijke celfusie
Virussen met een envelop gaan na binding op hun receptor(en) fusie met de celmembraan aan. Wat betreft het HIV is dit mechanisme echter nog niet volledig opgehelderd (Greene en Peterlin, 2002; Votteler en Schubert, 2008). Binding van het virus op het CD4 wordt gevolgd door een conformatieverandering van het CD4 en het gp120. Deze conformatieverandering zorgt ervoor dat nieuwe bindingsplaatsen vrijkomen op het gp120. Het gp120 bindt vervolgens op CXCR4 of CCR5. Na binding op CXCR4 of CCR5 kan het gp41 interageren met een nog onbekend membraan domein. Binding leidt tot een fusie met de celmembraan (figuur 2). In de literatuur wordt beschreven dat naast CXCR4 en CCR5 ook andere chemokinereceptoren als co-receptoren kunnen dienen. Cellen die geen CCR5 receptoren op hun membraan dragen, worden met een verlaagde sensitiviteit voor HIV 6
geassocieerd. Belangrijk is echter wel dat deze genetische variant die de deletie van CCR5 veroorzaakt, met resistentie tegen het HIV wordt gelinkt (Greene en Peterlin, 2002; Levy, 1996; Votteler en Schubert, 2008).
A
B
C
D
E
A: Het virus bindt op de CD4-receptor gevolgd door een conformatieverandering die ervoor zorgt dat er meer interactie met andere receptoren is, zoals CXCR4 en CCR5. B: De CD4 bindingsplaats op gp120 interageert met de CD4 molecule. C: Conformatieveranderingen van CD4 en gp120 laten de binding van gp120 op een andere receptor toe (hier CCR5). D: De secundaire binding brengt de virale envelop dichter bij het celoppervlak. Dit laat interactie tussen gp41 en een fusie domein toe. Hierop volgt de fusie tussen het virus en de cel. E: Na fusie wordt het virale nucleoid vrijgesteld in het cytoplasma. Fig. 2 : De interactie tussen HIV en het celoppervlak (uit Levy, 1996).
2.2.5.1.5
Vermindering CD4
Het Nef-proteïne creëert een omgeving optimaal voor de virusvermeerdering. Bij afwezigheid van Nef. vertraagt het ziekteproces aanzienlijk. Deze virulentieverhogende functie blijkt ook een effect op T-lymfocyt-receptoractivatie te hebben en leidt tot een verlaagde expressie van het CD4 op het celoppervlak. Naast Nef zijn ook het SU en het vpu belangrijk. Het SU bindt op het CD4 in het endoplasmatisch reticulum en vertraagt zodoende het transport. Het vpu bindt de
cytoplasmatische
staart
van
de
CD4
molecule. Dit alles samen zorgt voor de afbraak van de CD4 molecule nog voor ze de
Fig. 3 : Laatste stappen van de replicatie met de nadruk op de
celmembraan bereikt (figuur 3) (Greene en
omgevings optimalisatie voor de virale replicatie
Peterlin, 2002; Votteler en Schubert, 2008).
(uit Greene en Peterlin, 2002).
7
2.2.5.2
Het intracellulaire deel van de replicatiecyclus
Na de fusie (waarbij het virus in de cel als een nucleokapsied aanwezig is) volgen nog verschillende stappen die de integratie van het provirus in het cellulaire genoom tot doel hebben. In het vroege infectiestadium verlaat het virale RNA het kapsied met behulp van het kapsiedproteïne, p24, in associatie met cyclophilines (Cullen, 2001; Greene en Peterlin, 2002; Luban et al., 1993; Votteler en Schubert, 2008). Het cyclophiline A (CypA) is een isomerase dat de kapsiedproteïnen bindt en zo deel uitmaakt van de virusvermeerdering. Om zijn functie te kunnen uitvoeren is de aanwezigheid ervan in de doelwitcellen noodzakelijk (Greene en Peterlin, 2002; Votteler en Schubert, 2008). Het virale RNA, dat nog steeds met proteïnen geassocieerd is, ondergaat reverse transcriptie met behulp van het RNA- en DNA-afhankelijke DNA-polymerase en het RNase-H-activiteit. Dit heeft de vorming van een double-stranded DNA-kopie tot gevolg (Bushman et al., 2005; Greene en Peterlin, 2002). Het virale DNA wordt complementair DNA (cDNA) genoemd. Het nucleokapsiedproteïne, p7, lijkt als chaperone-eiwit dienst te doen, nodig voor een efficiënte reverse transcriptie (Feng et al., 1997; Greene en Peterlin, 2002). Het chaperone-eiwit verhoogt de proportie aan lang cDNA en speelt later nog een rol in de efficiënte verpakking van het virale RNA (Greene en Peterlin, 2002; Luban, 1996). De aanwezigheid van twee retrovirale zink vingers in het nucleokapsied proteïne zijn essentieel voor zijn functie (Drummond et al., 1997; Greene en Peterlin, 2002; Votteler en Schubert, 2008). Het cDNA maakt deel uit van het pre-integratie complex (PIC) dat ondermeer ook het virale MA-, Vpren IN-proteïnen zou bevatten (Greene en Peterlin, 2002; Heinzinger et al., 1994). Het PIC wordt vervolgens naar de nucleus getransporteerd (zie figuur 4). Na het binnendringen van de nucleus wordt het lineaire virale DNA in het genoom geïntegreerd. Bij de integratie zijn onder andere het integrase en gastheercelfactoren van belang (Cullen, 2001; Greene en Peterlin, 2002; Votteler en Schubert, 2008). Recente studies tonen aan dat emerin, een nucleair envelop proteïne, in de HIV replicatie nodig zou kunnen zijn. In afwezigheid van dit proteïne zou de interactie tussen cDNA en het genoom en de integratie ervan niet plaatsvinden (Jacque et al., 2006). De integratie van het virale provirus lijkt niet willekeurig in het genoom te gebeuren. Het zou voornamelijk in transcriptie actieve regio’s ingebouwd worden (Mitchell et al., 2004; Votteler en Schubert, 2008). De factor van belang bij de integratie zou een specifiek nucleair complex zijn. Dit bestaat uit het virale integrase met het humane ‘lens epitheliumderived growth factor of transcription coactivatior p75’ proteïne (LEDGE/p75). Het LEDGE/p75 is met het cellulaire chromatine geassocieerd en blijkt een bescherming tegen stress-geïnduceerde apoptose te bieden. LEDGE/p75 zou de integratie van het provirus richten naar transcriptie actieve regio’s, voornamelijk deze die rijk zijn aan Guanine Cytosine sequenties (Greene en Peterlin, 2002; Votteler en Schubert, 2008). Het nucleair transport van het PIC zou afhankelijk kunnen zijn van de interactie van MA en Vpr met een cellulair complex van cyclophilines (Gallay et al., 1996; Greene en Peterlin, 2002). Het cellulaire CypA wordt met het gag geassocieerd en het is van belang in de eerste stadia van de replicatie. Deze functie blijkt na verder onderzoek niet absoluut noodzakelijk te zijn, daar bij andere retrovirussen (onder andere het HIV-2, het SIV en het HIV-1 behorende tot O) het gag niet bindt aan CypA (Braaten et al., 1996; Greene en Peterlin, 2002; Votteler en Schubert, 2008).
8
Fig 4. : schematische voorstelling van de eerste stappen van de virale replicatie (uit Greene en Peterlin, 2002).
Bepaalde studies tonen aan dat het HIV, na binnendringen van de cel, interageert met componenten van het cytoskelet en zodoende mogelijks het microtubulair netwerk gebruikt om zich doorheen de cel te verplaatsen (figuur 4). In associatie met het microtubulair netwerk zou het reeds reverse transcriptie ondergaan vooraleer het zijn kapsiedeiwitten verliest. Na de vorming van het PIC verplaatst het zich naar de nucleaire membraan, waar het de nucleus binnendringt via poriën in de kernmembraan. De activatie van de cel zou, door een vlottere passage van PIC doorheen de kernmembraan, de HIV-infectie ervan vergemakkelijken (Greene en Peterlin, 2002; Margolick et al., 1987; Votteler en Schubert, 2008). Na de integratie van het provirus zijn tat, rev en nef de eerste genen die afgelezen worden (Greene en Peterlin, 2002; Ou et al., 1995). Het nef mRNA vertegenwoordigt de overgrote meerderheid. Het is echter niet geweten welk viraal proteïne eerst wordt afgelezen (Greene en Peterlin, 2002; RobertGuroff et al., 1990). Wat niet met zekerheid kan gezegd worden, is of er al dan niet een manier bestaat om zonder integratie van het provirus in het cellulair genoom infectieus HIV te produceren. Verschillende studies toonden echter wel aan dat de integratie noodzakelijk is om een efficiënte virusproductie te bewerkstelligen (Engelman et al., 1995; Greene en Peterlin, 2002; Votteler en Schubert, 2008). Bij de initiële stappen in de virale replicatie zijn cellulaire regulatieproteïnen van belang (Greene en Peterlin, 2002; Ou et al., 1995). Verondersteld wordt dat de mate van virale proteïneproductie zou bepalen of een HIV-infectie al dan niet tot een productieve ofwel latente status leidt. Hoge expressie van tat leidt tot een grote virusproductie (Dayton et al., 1986; Greene en Peterlin, 2002). Het nef heeft meerdere functies, maar gaat over het algemeen zorgen voor een verhoging van de replicatie afhankelijk van het soort cel dat geïnfecteerd is (Greene en Peterlin, 2002). Het rev-proteïne zou voor een evenwicht tussen de regulatorische en structurele proteïnen van het HIV zorgen. Het rev bevordert het transport van de ongesplitste mRNA’s vanuit de kern naar het 9
cytoplasma. Deze mRNA’s zijn belangrijk omdat ze verantwoordelijk zijn voor de virale structurele genenproducten en enzymes die aanleiding geven tot infectieuze virussen. Om zijn functie te kunnen uitoefenen is rev afhankelijk van een aantal cellulaire factoren (Greene en Peterlin, 2002). Rev kan zijn eigen productie verminderen en zodoende tot een verminderde virusproductie en misschien zelfs latentie aanleiding geven. Wanneer cellen geïnfecteerd worden die de virusvermeerdering niet optimaal toelaten kan dit leiden tot een afwijkende expressie van de regulerende proteïnen. Dit kan leiden tot een abortieve infectie, een lage persistentie of een latente staat (Greene en Peterlin, 2002; Votteler en Schubert, 2008). De
virusverpakking,
schematisch
weergegeven op figuur 5, bevindt zich ter hoogte van de celmembraan. Hier wordt het
virale
RNA
in
kapsieden
geïncorporeerd. Bij het vrijkomen uit de cel worden de virale envelopproteïnen in de envelop ingebracht. Nadat het gp120 en het gp41 in de envelop zijn ingebed, dient
Fig. 5 : Stappen van de virusverpakking
een associatie tussen de cytoplasmatische
(uit Greene en Peterlin, 2002).
staart van het gp41 en het gag-proteïne op te treden. Voordat de verpakking zou optreden, moet eerst de celmembraan gebroken en vervolgens opnieuw gesloten worden. Om de membraan te breken, maakt het virus van cellulaire proteïnen gebruik. Op deze manier worden kleine virale en cellulaire membraantjes gevormd. De mature kapsiedproteïnen nemen de typische conische vorm van het kapsied aan en de finale maturatie van de virale proteïnen wordt door het virale protease gemedieerd (Greene en Peterlin, 2002; Votteler en Schubert, 2008). 2.2.6
Invloed van cellulaire factoren op de HIV replicatie
Van het binnendringen van het virus in de cel tot het vrijkomen en de maturatie maakt elke stap van de virale replicatie gebruik van cellulaire factoren. Voor de replicatie is het virus, net zoals de meeste intracellulaire parasieten, afhankelijk van de interactie met specifieke cellulaire factoren. Opvallend is wel dat de replicatie van HIV-1 wordt geblokkeerd door actie van de restrictiefactoren. Ze vormen een barrière voor de virusvermeerdering. Deze factoren maken onderdeel uit van het aangeboren immuunsysteem. HIV-1 is echter in staat deze antivirale reacties te omzeilen. Het recent ontdekte verband tussen vif en het ‘apolipoprotein B-mRNA-editing-enzyme-catalytic-polypeptide-like 3G’ (APOBEC3G) is belangrijk. Het APOBEC3G behoort tot de familie van de cellulaire cytidinedeaminase-DNA/RNA-editing-enzymes. Deze enzymes bezitten de mogelijkheid om retrovirussen te hypermuteren. Het antivirale effect van APOBEC3G staat volledig los van de mutatiefrequentie die door APOBEC3G wordt geïnduceerd. Dit suggereert dat de deaminase-activiteit niet het enige onderliggende mechanisme is. Het virus reageert op deze cellulaire reactie door middel van het vif. Het vif bindt op het APOBEC3G, induceert de polyubiquitinatie van het APOBEC3G via het SCF-like E3 ubiquitine ligase en initieert de degradatie van het APOBEC3G. Een tweede belangrijke eiwitfamilie is de ‘tripartite interaction motif’ (TRIM) familie. Het TRIM5α draagt in tegenstelling tot alle 10
andere eiwitten van deze familie een extra domein. Het is verantwoordelijk voor de interactie met het virale CA en staat voornamelijk in voor de species specifieke activiteit. In studies werd aangetoond dat het TRIM5α de binnenkomende retrovirussen blokkeert in een vroeg stadium van de virale replicatie, enige tijd nadat het virus in de cel is en voordat reverse transcriptie optreedt. Verondersteld wordt dat de ubiquitinatie van de binnenkomende CA moleculen tot de degradatie ervan leidt en zodoende verantwoordelijk is voor de antivirale activiteit van TRIM5α. De moleculaire mechanismen gebruikt door TRIM5α zijn nog slecht gekend en vormen een punt van discussie (Ganser-Pornillos et al., 2008; Greene en Peterlin, 2002; Klatt et al., 2008; Votteler en Schubert, 2008).
2.3
DE PATHOGENESE VAN HIV
2.3.1
Het klassieke model van de pathogenese van HIV
Volgend op belangrijke ontdekkingen tussen 1983 (vaststelling van HIV als de oorzaak van AIDS) en 1996 (in gebruik komen van het ‘hoog actieve antiretrovirale therapie’, HAART) kon een eerste model van de pathogenese opgesteld worden. Dit model steunt op talrijke experimentele en klinische bevindingen en geeft er een verklaring aan (figuur 6). Het model steunt op de volgende observaties: 1. Volgend op de overdracht van het virus via de sexuele of intraveneuze manier infecteert en doodt ze een subset van geheugen of geactiveerde CD4 positieve T-lymfocyten (CD4
+
lymfocyten) (Klatt et al., 2008). 2. Het niveau van virusreplicatie en de ergheid van CD4-T-lymfocyt-depletie zijn de gangmakers van het progressief karakter van de ziekte in de initiële asymptomatische fase van de infectie. Deze eerste fase duurt twee tot vijftien jaar (Klatt et al., 2008). 3. Als de virusvermeerdering onder controle is door ofwel medicatie ofwel spontaan (dit komt voor bij een klein aantal mensen, de lange termijn niet progressers) is de schade aan het immuunsysteem al ver gevorderd (Bomsel et al., 2007; Klatt et al., 2008). Deze bevindingen tonen aan dat de pathogenese van AIDS +
voornamelijk te wijten is aan de afbraak van CD4
Anti-HIV CTL
lymfocyten. Het klassiek model van de pathogenese, zoals aangetoond in figuur 6, werd verder bevestigd door de
Θ
Neutraliserende As HAART
observatie dat een HIV-infectie geassocieerd is met een hoge virusproductie en een korte levensduur van de geïnfecteerde cellen. Uit het voorgaande werd besloten dat +
in geïnfecteerde individuen het HIV grote aantallen CD4
lymfocyten in korte tijd doodt. Dit duurt tot op het punt waarop het lichaam niet meer in staat is de verloren T-
Progressieve vermoeidheid,…, AIDS
lymfocyten aan te vullen. Uiteindelijk leidt de uitputting van +
CD4 lymfocyten tot een definitief verlies van hun functie in het
immuunsysteem.
Dit
leidt
tot
een
Fig. 6 : Het klassieke model van de AIDS pathogenese (uit Klatt et al., 2008).
verhoogde
gevoeligheid voor opportunistische infecties en neoplasiën (Klatt et al., 2008). Het model werd verfijnd door studies die de co-receptoren definieerden. De voornaamste co-receptor is CCR5, gebruikt bij de 11
niet-syncytium-inducerende virussen met een tropisme voor de macrofagen. Deze virussen komen bij de meerderheid van de patiënten voor. CCR5 komt voor op een relatief kleine fractie van de +
circulerende en mucosa-geassocieerde geheugen CD4
lymfocyten en deze aanwezig in de +
lymfeknopen. Dit laatste kan van belang zijn in de verklaring waarom de CD4 lymfocyten veel zwaarder worden aangetast in de mucosale weefsels. De tweede belangrijke co-receptor is CXCR4 die gebruikt wordt door syncytium vormende virussen met een tropisme voor T-lymfocyten. Deze virussen komen slechts bij weinig patiënten voor en meestal in de latere stadia van ziekte. Opvallend +
is dat CXCR4 op naïeve CD4 lymfocyten voorkomt (Bomsel et al., 2007; Klatt et al., 2008). 2.3.2
Indirecte mechanismen van de immunopathogenese tijdens een HIV infectie
Recent werd het klassieke model onderworpen aan een aantal nieuwe inzichten. Ten eerste komt het +
lange tijdsverloop tussen de infectie en ontwikkeling van AIDS, waarbij het niveau van CD4
lymfocyten ongeveer gelijk blijft, niet overeen met de kinetiek van een virale infectie, die exponentieel de targetcellen zou moeten vernietigen. Eerst werd aangenomen dat de lange duur van het +
ziekteproces zijn oorsprong vond in de regeneratieve capaciteit van de CD4 lymfocyten. Hier is men echter vanaf gestapt omdat de kans dat bij de overgrote meerderheid van de patiënten de vernietiging +
van CD4 lymfocyten net iets sneller verloopt dan de regeneratie zeer klein is. Later werd aangetoond +
dat de fractie geïnfecteerde CD4 lymfocyten laag is (0,001-1%). Hierbij stelde men zich de vraag +
waarom het immuunsysteem de productie van nieuwe CD4 lymfocyten niet verhoogde om zo te compenseren voor het relatief beperkte verlies (Klatt et al., 2008; Levy, 2009). Samengevat tonen de hierboven vermelde observaties aan dat de pathogenese van de HIV +
geassocieerde CD4 lymfocyten uitputting een complex fenomeen is en dat de gastheerreactie een sleutelrol speelt in het verder verloop van het ziekteproces. Men veronderstelt dat een chronische +
activatie van het immuunsysteem van belang is bij het verlies van de CD4 lymfocyten. Verschillende studies tonen aan dat in HIV-geïnfecteerde individuen de progressie van AIDS beter correleert met de immune activatie dan met de aanwezige hoeveelheid virus. Zo kan men stellen dat, bij observatie van +
de korte levensduur van HIV geïnfecteerde CD4 lymfocyten in vivo , het afsterven van de lymfocyten het gevolg is van een verhoogde staat van activatie (door middel van activatie geïnduceerde apoptose) en niet direct door de aanwezigheid van het virus. De impact van een HIV-infectie op de +
levensduur van CD4 lymfocyten lijkt minder dramatisch dan oorspronkelijk gedacht. Een recente hypothese stelt dat HIV van de ene geactiveerde cel (die geprogrammeerd is om apoptose te ondergaan) overgaat op de andere zonder de functie van de cel te beïnvloeden (Klatt et al., 2008; Levy, 2009; Slivestri, 2008). Er is ook veel onderzoek gedaan naar niet-pathogene SIV-infecties bij de natuurlijke gastheren. Hier +
zijn de chronisch hoge niveaus van virusvermenigvuldiging en in vivo vernietiging van CD4
lymfocyten niet geassocieerd met enige tekens van immunodeficiëntie (Apetrei et al., 2005; Heeney et al., 2006; Klatt et al., 2008; Silvestri, 2008). Een logisch gevolg is dat de natuurlijke gastheren zouden geëvolueerd zijn naar een fenotype dat resistent is aan de ziekte. Deze resistentieontwikkeling komt niet door het verwerven van een speciale capaciteit om de virale replicatie te controleren, maar wel
12
door een adaptatie die de immuunrespons ten opzichte van de retrovirale infectie verzwakt (Apetrei et al., 2005; Klatt et al., 2008; Silvestri, 2008). Tabel 2: immunologische en virale kenmerken van natuurlijke apathogene SIV infecties versus pathogene HIV infecties (uit Klatt et al., 2008). SIV
HIV
Chronische virus replicatie
Ja
Ja
Falen immunologische controle
Ja
Ja
Korte levensduur geïnfecteerde CD4+ lymfocyten
Ja
Ja
Ja
Ja
Systemisch verlies CD4+ lymfocyten
Zelden
Ja
Gegeneraliseerde immune activatie
Nee
Ja
laag
Hoog
+
Depletie Mucosaal geassocieerd lymfoïd weefsel (MALT) CD4 lymfocyten
+
Expressie van CCR5 op CD4 lymfocyten
Recente bevindingen zouden kunnen helpen het klassieke model en de immune activatie modellen te harmoniseren. Dit nieuwe model omvat zowel de directe als indirecte mechanismen van de HIV/AIDS pathogenese. Het bifasische model wordt op figuur 7 voorgesteld. De eerste fase (acute infectie) stelt +
een snel massaal direct HIV-gemedieerd verlies van geheugen CD4 lymfocyten voor. Deze fase vindt voornamelijk in de mucosale weefsels plaats. Een tweede fase (chronische infectie) duurt meerdere jaren en wordt in essentie getypeerd door het immuunsysteem dat probeert de initiële schade te herstellen en de virusreplicatie te controleren. Dit laatste heeft zo goed als geen effect daar HIV een pathogeen is met een enorme genetische en structurele plasticiteit. Hieruit volgt de mogelijkheid om een serie van hoog effectieve strategieën om immuun-evasie te ontwikkelen. Tijdens de chronische fase van de infectie worden continu sterke immuunresponsen gegenereerd die uiteindelijk geen effect hebben op het virus. De activatie van het immuunsysteem in een poging het virus te elimineren leidt, zoals hierboven reeds vermeld, enkel tot het veroorzaken van nog meer schade (Klatt et al., 2008; Levy, 2009). 2.3.3
Factoren van virusoverdracht en de eerste stadia van replicatie
Hoewel de meeste gastheerfactoren die de kans op infectie en ziekte verhogen gekend zijn, is het zeer moeilijk om het verloop van de infectie te voorspellen. Er zijn een aantal genetische factoren aangetoond die een weerstand tegen de HIV-infectie bieden. De belangrijkste is toegeschreven aan de 32 basenpaar deletie in het CCR5 gen dat bij 1% van de blanke populatie voorkomt. Deze deletie resulteert in een schrijfraammutatie waardoor CCR5 volledig afwezig is op de celmembraan. Voor individuen homozygoot voor deze mutatie betekent dit dat ze resistent zijn aan de overdracht van virussen met een tropisme voor deze receptor. De virussen met een voorkeur voor CCR5 als coreceptor vormen de overgrote meerderheid van de infecties met HIV veroorzaakt door sexueel contact. Ook polymorfismen van andere genen worden geassocieerd met een invloed op het ziekteproces. Wat men op klinisch vlak hieruit kan besluiten is dat antagonisten of monoklonale antistoffen gericht tegen CCR5 veelbelovend zijn in de preventie van HIV-transmissie (Klatt et al., 2008; Levy, 2009; Slivestri, 2008).
13
Het is nog onduidelijk of de immuunreactie gericht tegen HIV in staat is om een absolute (dit is het voorkomen van de infectie) of een relatieve (dit is het verlagen van de virale replicatie) resistentie te creëren. Er werd wel een verband gevonden tussen de sterkte van de T-lymfocytenrespons en een milder ziekteverloop. Onduidelijk is of de schijnbaar meer effectieve immuunreactie oorzaak dan wel gevolg is van het milder verloop. Bij de natuurlijke gastheren van SIV, die resistent zijn aan AIDS, ziet men een lage T-lymfocytenrespons en vooral een verzwakte activatie van het immuunsysteem. Dit geeft aan dat een sterke immunologische reactie van de gastheer niet noodzakelijk is om milder ziekteverloop te krijgen. Verder onderzoek is nodig om de mechanismen aan de basis van deze zwakke immunologische reactie te verklaren. Hieruit is wel te besluiten dat de co-evolutie van SIV en zijn natuurlijke gastheren resulteerden in een evenwicht, waarbij het immuunsysteem behouden wordt zonder een significante immuungemedieerde controle van de virusvermeerdering. Dit wordt ook in tabel 2 weergegeven (Klatt et al., 2008; Levy, 2009; Silvestri, 2008). Recent werden onderzoeken gedaan naar de factoren met een invloed op de overdracht van HIV-1 door middel van seksueel contact in Afrika. Eén van deze studies toonde aan dat die virussen die nieuwe infecties verwezenlijken een envelop-oppervlakte-glycoproteïne (gp120) synthetiseren. Dit specifieke gp120 heeft echter een meer compacte structuur en een gereduceerde glycosylatie waardoor het significant gevoeliger aan de neutraliserende antistoffen is. Belangrijk is wel dat de overgrote meerderheid van de gp120’s die uit patiënten met een chronische infectie geïsoleerd worden, resistent zijn aan neutralisatie door autologe sera. Dit duidt op een relatief gevoelig envglycoproteïne in de acute fase van infectie, wat belangrijk is voor de ontwikkeling van een vaccin (Klatt et al., 2008). Een tweede interessant onderzoek in Zambia tussen discordante heterosexuele partners (dit zijn partners waarbij één iemand seropositief is en de ander seronegatief) beschreef dat indien beide partners ‘Humane Leucocyten Antigeen’ (HLA)-B-allelen dragen, dit met een verhoogde kans op virusoverdracht gepaard gaat. Deze vaststelling wijst erop dat vreemde HLA-moleculen aanwezig op de virus geïnfecteerde cellen of op het virus zelf een weerstand bieden tegen infectie (Garnett en Gazzard, 2008; Klatt et al., 2008). Bij het eerste contact tussen HIV en zijn toekomstige gastheer (meestal via de slijmvliezen en in sommige gevallen via het bloed) hangt de sterkte en het type van immuunreactie af van de immature dendritische cellen. Deze cellen maken deel uit van de aspecifieke afweer. De rol die de dendritische cellen spelen in de eerste stadia van infectie is complex en bovendien niet altijd voordelig. Haar functie wordt in figuur 7 weergegeven. Enerzijds wordt het HIV-1 via C-type-lectine-bindende receptoren gefagocyteerd en treedt er een migratie naar de drainerende lymfeknoop op. In de drainerende lymfeknoop treedt een eerste specifieke immunologische reactie op waarbij het HIV-1+
antigeen aan CD4 lymfocyten wordt gepresenteerd. Anderzijds kunnen de dendritische cellen een bijdrage leveren aan de infectie. Dit is mogelijk door het migrerend vermogen van deze cellen en door +
het feit dat contact met CD4 lymfocyten meestal tot een productieve infectie van deze laatsten leidt (Klatt et al., 2008; Levy, 2009).
14
HIV
Fase 1 (directe mechanismen)
Verlies van CD4+ lymfocyten in het MALT
Gastheerreactie op het virus Onvolledige controle van het
wordt een pathogene factor
immuunsysteem van de HIV/SIV replicatie -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Chronische virusreplicatie Integriteitsverlies mucosale
Fase 2 (indirecte mechanismen)
barrière Chronisch veralgemeende activatie van het immuunsysteem Foute regeneratie van de CD4+ lymfocyten Progressieve, systemische CD4+ lymfocyten depletie
AIDS In dit model worden de voornaamste immunopathogene factoren van de acute en chronische fase van infectie samengevat. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen de directe (virus gemedieerde) en indirecte (immuniteits gemedieerde) mechanismen. Fig. 7 : het bifasische model van de pathogenese van HIV (uit Klatt et al., 2008).
2.3.4
De acute fase van een HIV infectie
De acute of vroege fase van de infectie wordt gekenmerkt door een piek in de virusvermeerdering en +
een daling van de circulerende CD4
lymfocyten. Dit gaat klinisch gepaard met griepachtige
symptomen. Deze fase van het ziekteproces duurt ongeveer twee tot drie weken en eindigt wanneer +
een seroconversie van de antilichamen optreedt (Klatt et al., 2008). Het MALT bevat de meeste CD4 +
lymfocyten in het lichaam. Het grootste deel van deze CD4 lymfocyten dragen CCR5 op hun membraan en zijn van het geheugen type. Simplistisch gezegd gebeurd er in de acute fase een +
massale infectie en vernietiging van de MALT geassocieerd CD4 CCR5 positieve geheugen T+
lymfocyten (figuur 8). De virusvermeerdering in deze geactiveerde CD4 CCR5 positieve geheugen T-lymfocyten gaat gedurende twee tot drie weken na de infectie ongestoord verder en leidt tot een massale vernietiging van deze lymfocyten (Klatt et al., 2008; Levy, 2009). Bij een SIV-infectie van een +
niet natuurlijke gastheer draagt tot 60% van de geheugen CD4 lymfocyten van de intestinale mucosa SIV-RNA op dag tien na de infectie. De meerderheid van deze cellen is op dag veertien na de infectie vernietigd (Klatt et al., 2008). De MALT-geassocieerde-geheugen-T-lymfocyten vormen een belangrijk onderdeel van de mucosale barrière. Het vernietigen van deze cellen heeft zijn gevolgen ter hoogte van de mucosale barrière (Klatt et al., 2008; Levy, 2009). De verminderde afweer laat opportunistische subklinische infecties deel uitmaken van een verdere destructie van de barrière en draagt zo bij tot de chronische activatie van het immuunsysteem (figuur 7) (Klatt et al., 2008).
15
Mucosale plaatsen van virusoverdracht HIV DC
lymfeknoop DC-SIGN gemedieerde CD4+ lymfocyt infectie Virale verspreiding
CD4+ T-helper lymfocyt
Priming van de HIV specifieke immuunreacties
B-cel
CD8+ T-cel
Activatie van CD4+ lymfocyten creëert nieuwe doelwitten Hoge niveaus van infectie en vernietiging van CD4+ lymfocyten CTL
Neutraliserende antistoffen
CTL escape mutanten sequentievariatie MHC klasse 1 downregulatie glycosylatie bescherming Hoge entropie
geen immuun effect op latent geïnfecteerde cellen
Na passage door de mucosale barrière wordt het HIV gefagocyteerd door de dendritische cellen en naar de drainerende lymfeknoop migreren en het HIV antigen aan de CD4+ T helper lymfocyten presenteren. In dit proces kunnen de dendritische cellen de infectie bevorderen. De CD4+ lymfocyten helpen de CD8+ lymfocyten en de B-cellen in het opwekken van een cellulaire en humorale immuunrespons. Fig. 8 : De overdracht van HIV en het opwekken van een HIV-specifieke immuunreactie (uit Klatt et al., 2008).
2.3.5
De overgang van de acute naar de chronische fase van infectie
Een hypothese werd vooropgesteld waarbij de HIV-specifieke cytotoxische T-lymfocyten (CTL) net als de humorale immuunrespons gericht tegen de virale oppervlakteproteïnen een centrale rol spelen in de reductie van de virale replicatie. De bewijzen dat de CD8 positieve CTL-gemedieerde respons een rol speelt, zijn de volgende: 1. Het verband tussen het afnemen van de viremie en het opwekken van een immunologische reactie in de acute fase van infectie. 2. Er vindt een stijging plaats van de virale replicatie na een experimentele vernietiging van de +
CD8 lymfocyten. 3. De vaststelling dat de CTL mutaties van virussen die overgedragen werden tussen individuen met verschillende HLA genen, door de wild type sequenties vervangen werden (Klatt et al., 2008; Levy, 2009; Silvestri, 2008). De CD8 positieve CTL-gemedieerde respons speelt een belangrijke rol in de bescherming tegen virusreplicatie en ziekteontwikkeling. De impact ervan wordt door de extreme genetische variabiliteit van HIV gelimiteerd en geeft zo de mogelijkheid aan het persisteren van mutanten in de acute en chronische fase van de infectie (figuur 8). De voorkeur van HIV om HIV-specifieke geheugen CD4
+
lymfocyten te infecteren en te doden, geeft aanleiding tot een gecompliceerde situatie welke resulteert in een functioneel tekort aan een anti-HIV-respons. HIV is, zoals reeds werd aangegeven, in staat de antistof gemedieerde immuunrespons te ontvluchten. Enkele van deze mechanismen werden 16
opgehelderd (figuur 8). Ten eerste is het env-proteïne zeer variabel, voornamelijk in de regio’s die de oppervlakte van het virus bekleden. Ten tweede is het oppervlak van het gp120 met een dynamisch schild bedekt. In dit schild variëren de glycanen door middel van puntmutaties. Ten derde zijn de constante domeinen van env sterisch gehinderd. Ten slotte gaat de receptorbinding van het env samen met een hoge intrinsieke entropie, waardoor ze een doelwit voor de neutraliserende antistoffen wordt. Het onvermogen van de specifieke CTL en de neutraliserende antistoffen om de virale replicatie volledig te onderdrukken, vormt de basis voor de gegeneraliseerde activatie van het immuunsysteem in het chronische stadium van infectie (figuur 7) (Klatt et al., 2008; Levy, 2009; Silvestri, 2008). 2.3.6
De chronische fase van infectie
De chronische fase van een HIV infectie neemt meerdere jaren in beslag. Deze fase wordt +
gekarakteriseerd door een progressieve daling van de perifere bloed CD4 lymfocyten, een kleine +
+
fractie van geïnfecteerde CD4 lymfocyten en een versneld afsterven van zowel CD4 als CD8 lymfocyten. De hogere vernietiging van CD4
+
en CD8
+
+
lymfocyten houdt verband met de
gegeneraliseerde activatie van het immuunsysteem in deze fase van de infectie (Klatt et al., 2008; Levy, 2009; Silvestri, 2008). De oorzaken van deze chronische activatie van het immuunsysteem zijn talrijk en complex. Ze omvat onder meer de activatie van de T-lymfocyten door middel van specifieke antigenen (zowel deze van het HIV als een waaier van opportunistische pathogenen). Ook een secundaire activatie van T-lymfocyten door de hoge concentratie aan lymfokines kan een oorzaak zijn. Een belangrijke vraag die we ons hierbij moeten stellen is hoe een verhoogde activatie van het +
immuunsysteem aanleiding kan geven tot de vernietiging van CD4 lymfocyten. Eerst en vooral leidt de activatie van deze cellen tot het ontstaan van nieuwe doelwitcellen voor HIV daar het virus liefst +
vermeerdert in geactiveerde CD4 lymfocyten (figuur 8). Zodoende wordt er een omgeving gevormd dat virusreplicatie toelaat en verder schade aan het immuunsysteem berokkend. Ten tweede leidt de chronische activatie van het immuunsysteem tot een verhoogd activatie van de T-lymfocyten (in kleine mate ook een verhoogde compensatoire homeostatische proliferatie) welke resulteert in een chronisch verlies aan naïeve- en geheugen-T-lymfocyten en een toename van kortlevende geactiveerde effector +
CD4
lymfocyten. Ten derde geeft de chronische activatie en proliferatie van de T-lymfocyten
aanleiding tot fouten in de celcyclus welke resulteren in een verhoogde proportie aan cellen die activatie- geïnduceerde apoptose ondergaan. Een mogelijkheid is dat de activatie van het immuunsysteem, toch minstens voor een deel, verantwoordelijk is voor veranderingen in de structuur +
van de lymfeknopen en de thymusfunctie. Als gevolg hiervan zou de aanvulling van CD4 lymfocyten +
gelimiteerd zijn. Er is echter een hypothese dat de vernietiging van CD4 lymfocyten uniek is voor deze cel (ook de CD8+ T-lymfocyten worden vernietigd, maar dit enkel in de laatste stadia van AIDS). De oorzaak van deze unieke functie is niet alleen omdat zij het doelwitcel is van het HIV, maar ook omdat ze gevoeliger zijn aan de effecten van immuunactivatie en omdat ze slechter regenereren (Klatt et al., 2008; Levy, 2009; Silvestri, 2008). Zo blijkt dat de T-lymfocyten reacties in de eerste stadia een beschermende rol spelen, maar door het ontstaan van mutaties in het virus faalt ze in haar poging de infectie onder controle te houden. Van het 17
moment dat de cellulaire immuniteit niet meer in staat is de infectie te controleren, zouden andere mechanismen gaan bepalen wat het uiteindelijk effect is van de voorschrijdende activatie van Tlymfocyten in de AIDS fase (Klatt et al., 2008; Levy, 2009; Silvestri, 2008). Een volgend aspect dat niet met zekerheid is gekend, is de mogelijkheid dat er een direct verband zou +
bestaan tussen de eerste schade veroorzaakt door het HIV aan de, in het MALT aanwezige, CD4
lymfocyten en het ontstaan van een algemene activatie van het immuunsysteem. De MALT geheugen +
CD4 lymfocyten maken een belangrijk deel uit van de mucosale barrière die de gastheer beschermt tegen zowel exogene pathogenen als commensale bacteriën aanwezig in de darm. Deze commensale bacteriën worden als pathogeen beschouwd eens ze de barrière passeren. Het is dus zeer goed +
mogelijk dat bij een tekort aan CD4 lymfocyten deze barrière in haar functie wordt gestoord en dat zo een waaier aan opportunistische pathogenen binnendringen en schade veroorzaken en zodoende hun bijdrage leveren aan de chronische activatie van het immuunsysteem (figuur 7). Het bifasische model van de pathogenese stelt dus een belangrijk verband tussen de directe en indirecte (virus versus immuun gemedieerd) mechanismen voor (Klatt et al., 2008; Levy, 2009; Silvestri, 2008).
2.4
DISCUSSIE
Mensen besmet met het HIV leven alsmaar langer. Tussen 1996 en 2005 steeg de levensverwachting met maar liefst 13 jaar. Deze stijging is te danken aan het gebruik van combinatieproducten. Sinds de jaren negentig worden antiretrovirale middelen gebruikt in de bestrijding van AIDS. Deze geneesmiddelen zorgen voor een vertraagde virusvermeerdering en een langzamer verloop van het ziekteproces (Levy, 2009). Zo had een twintigjarige die in de jaren negentig als seropositief werd gediagnosticeerd nog gemiddeld 36 jaar te leven. Twintigjarigen die vandaag besmet raken leven nog gemiddeld 49 jaar. Tussen de patiënten zijn er echter nog grote verschillen. Drugsverslaafden geïnfecteerd met het HIV zouden volgens de statistieken duidelijk vroeger sterven. De bestaande geneesmiddelen tegen het HIV proberen het virus onschadelijk te maken door te interfereren met de werking van de virale eiwitten. Het probleem hierbij is dat het virus hierop reageert net zoals het griepvirus. De virale eiwitten gaan muteren met als gevolg dat het virus resistent wordt. Verschillende onderzoeken richten zich daardoor tot de cellulaire cofactoren. Deze eiwitten zijn voor de virale replicatie onmisbaar en vormen dus een zwakke plek in het virus. Het LEDGE/p75 is hier een voorbeeld van (Greene en Peterlin, 2002). In de 25 jaar dat er onderzoek naar het HIV loopt, zijn er nog veel vraagtekens in de virale replicatie +
en zijn pathogenese. Is het CD4 lymfocyten verlies wel de primaire oorzaak van de ziekteprogressie? Wat is de functie van de dendritische cellen hierin? Welke zijn de genetische invloeden op de HIVinfectie? Wat is de reden dat de R5 virussen de acute fase van de infectie domineren? Hoe wordt de migratie van het PIC naar de kern gedirigeerd? Welke andere intrinsieke factoren zouden als doelwit voor therapie kunnen fungeren? Een belangrijk gegeven is dat met de bestaande geneesmiddelen AIDS niet langer als een ongeneeslijke ziekte kan aanschouwd worden. Het is eerder een chronische ziekte zoals bijvoorbeeld diabetes. Een middel om het virus uit het lichaam te elimineren is nog niet gevonden waardoor onderzoek op het HIV noodzakelijk is en blijft. 18
3
LITERATUURLIJST
Barré-Sinoussi F. (1996). HIV as the cause of AIDS. Lancet 348, 31-35.
Braaten D., Franke E.K., and Luban J. (1996). Cyclophilin A is required for the replication of Group M human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) and simian immunodeficiency virus SIVcpzGAB but not Group O HIV-1 or other primate immunodeficiency viruses. Journal of virology 70, 4220-4227.
Bushman F., Lewinski M., Ciuffi A., Barr S., Leipzig J., Hannenhalli S., and Hoffman C. (2005). Genome-wide analysis of retroviral DNA integration. Nature reviews Microbiology 3, 848-858.
Ciuffi A., Llano M., Poeschla E., Hoffmann C. Leipzig J., Shinn P., Ecker J.R., and Fushman F. (2005). A role for LEDGE/p75 in targeting HIV DNA integration. Nature Medicine 11, 1287-1289.
Cullen B.R.C. (2001). Journey to the center of the cell. Cell 105, 697-700.
Dalgleish A.G., Heeney J.L., Weiss R. (2006). Origins of HIV and the Evolution of Resistance to AIDS. Science 313, 462466.
Dayton A.J., Sodroski J.G., and Rosen C.A. (1986). The trans-activator gene of the human T-cell lymphotropic virus type III is required for replication. Cell 4, 941-947.
Drommond J.E., Mounts P., Gorelick R.J., Casas-Finet J.R., Bosche W.J., Henderson L.E., Waters D.J., and Arthur L.O. (1997). Wild type and mutant HIV type 1 nucleocapsid proteins increase the proportion of long cDNA transcripts by viral reverse transcriptase. AIDS research and human retroviruses 13, 533-543.
Engelman A., Englund G., Orenstein J.M., Martin M.A., and Craigie R. (1995). Multiple effects of mutations in human immunodeficiency virus type 1 integrase on viral replication. Journal of virology 69, 2729-2736.
Feng Y.X., Copeland T.D., Henderson L.E., Gorelick R.J., Bosche W.J., Levin J.G., and Rein A. (1997). HIV-1 nucleocapsid protein induces ‘maturation’ of dimeric retroviral RNA in vitro. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 93, 7577-7581.
Gallay P., Stitt V., Mundy C., Oettinger M., and Trono D. (1996). Role of the karyopherin pathway in human immunodeficiency virus type 1 nuclear import. Journal of virology 70, 1027-1032.
Ganser-Pornillos B.K., Yeager M., Sundquist W.I. (2008). The structural biology of HIV assembly. Current Opinion in Structural Biology 18, 203-217.
Garnett G.P. en Gazzard B. (2008). Risk of HIV transmission in discordant couples. The Lancet. 372, 270-271.
Greene W.C. and Peterlin B.M. (2002). Charting HIV’s remarkable voyage through the cell: basic science as a passport to future therapy. Nature medicine 8, 673-680.
Heinzinger N.K., Bukinsky M.I., Haggerty S.A., Ragland A.M., Kewalramani V., Lee M.A., Gendelman H.E., Ratner L., Stevenson M., and Emerman M. (1994). The Vpr protein of human immunodeficiency virus type 1 influences nuclear localization of viral nucleic acids in nondividing host cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 91, 7311-7315.
Jacque J.M., ans Stevenson M. (2006). The innernuclear-envelope protein emerin regulates HIV-1 infectivity. Nature 441, 641-645.
Klatt N.R., Chahroudi A., Silvestri G. (2008). Human Immunodeficiency Viruses: Pathogenesis. In: Mahy B.W.J. and van Regenmortel M.H.V. (Editors) Encyclopedia of Virology, vol 2, Academic Press, New York, p. 534-542.
Levy J.A. (1996). Infection by Human Immunodeficiency Virus – CD4 is not enough. The new England Journal of Medicine 335, 1528-1530.
Levy J.A. (2007). HIV and the pathogenesis of AIDS. 3th edition. ASM press, Washington, p. 1-27.
Levy J.A. (2009). HIV pathogenesis: 25 years of progress and persistant challenges. AIDS 18, 147-160.
Luban J. (1996). Absconding with the chaperone: essential cyclophilin-gag interaction in HIV-1 virions. Cell 87, 1157-1159.
Luban J., Bossolt K.L., Franke E.K., Kalpana G.V., and Goff S.P. (1993). Human immunodeficiency virus type 1 Gag protein binds to cyclophilins A and B. Cell 73, 1067- 1078.
Margolick J.B., Volkman D.J., Folks T.M., and Fauci A.S. (1987). Amplification of HTLV-III/LAV infection by antigeninduced activation of T cells and direct suppression by virus of lymphocyte blastogenic responses. The journal of immunology 138, 1719-1723.
19
Mitchell R.S., Beitzel B.F., Schroder A.R.W., Shinn P., Chen H., Berry C.C., Ecker J.R., and Bushman F.D. (2004). Retroviral DNA integration: ASLV, HIV, and MLV show distinct target site preferences. PLoS biology 2, 234.
Ou S.H.I., and Gaynor R.B. (1995). Intracellular factors involved in gene expression of human retroviruses. In: Levy J.A. (Editor) The Retroviridae, vol. 4, Plenum Press, New York, p. 97-187.
Robert-Guroff M., Popovic M., Gartner S., Markham P., Gallo R.C., and Reits M.S. (1990). Structure and expression of Tat, Rev-, and Nef-specific transcripts of human immunodeficiency virus type 1 in infected lymphocytes and macrophages. Journal of virology 64, 3391-3398.
Sweet R.W., Truneh A., and Hendrickson W.A. (1991). CD4: its structure, role in immune infection and AIDS pathogenesis, and potential as a pharmacological target. Current Opinion in Biotechnology 2, 622-633.
Turner B.G., Summers M.F. (1999). Structural biology of HIV. Journal of molecular biology 285, 1-32.
UNAIDS (2004). Report on the global AIDS epidemic. Joint United Programme on HIV/AIDS, 15.
Van Heuverswyn F and Peeters M. (2008). Human Immunodeficienct Virsusses: Origin. In: Mahy B.W.J. and van Regenmortel M.H.V. (Editors) Encyclopedia of Virology, vol 2, Academic Press, New York, p. 525-534.
Votteler J. and Schubert U. (2008). Human immunodeficiency Viruses: molecular biology. In: Mahy B.W.J. and van Regenmortel M.H.V. (Editors) Encyclopedia of Virology, vol 2, Academic Press, New York, p. 517-525.
20
