Zurich Open Repository and Archive University of Zurich Main Library Strickhofstrasse 39 CH-8057 Zurich www.zora.uzh.ch Year: 2015 Identification of cellular HIV restriction factors and host-HIV interactions Gers-Huber, Gustavo Posted at the Zurich Open Repository and Archive, University of Zurich ZORA URL: https://doi.org/10.5167/uzh-122436 Dissertation Published Version Originally published at: Gers-Huber, Gustavo. Identification of cellular HIV restriction factors and host-HIV interactions. 2015, University of Zurich, Faculty of Science. Identification of Cellular HIV Restriction Factors And Host-HIV Interactions Dissertation zur Erlangung der naturwissenschaftlichen Doktorwürde (Dr. sc. nat.) vorgelegt der Mathematisch-naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Zürich von Gustavo Gers-Huber von Winterthur, ZH Promotionskomitee Prof. Dr. Michael Hottiger (Vorsitz) Prof. Dr. Roberto F. Speck (Leitung der Dissertation) Prof. Dr. Urs Greber Zürich, 2015 1 To Gustavo Huber Luna and J. Fernando Huber Lora 2 Table of contents Zusammenfassung ...................................................................................................................... 5 Summary .................................................................................................................................... 6 1. Introduction ....................................................................................................................... 7 1.1 The human immunodeficiency virus (HIV) type-1 .............................................................. 8 1.1.1 HIV epidemiology ................................................................................................... 8 1.1.2 HIV Genome ............................................................................................................ 9 1.1.3 HIV structure ........................................................................................................... 9 1.1.4 HIV replication cycle ............................................................................................. 10 1.1.5 HIV sequence evolution ......................................................................................... 13 1.1.6 HIV infection ......................................................................................................... 14 1.2 IFN-α-induced cellular restriction factors and HIV-1 accessory proteins ...................... 18 1.3 Modelling HIV infection and therapies in humanized mice ........................................... 67 2. Rationale and Aims ......................................................................................................... 80 2.1 Specific Aims .................................................................................................................. 81 2.2 Rationale of this thesis .................................................................................................... 81 3. Results ............................................................................................................................. 83 3.1 Analysis of the IFN-α signature by Next-Generation Sequencing in MT4 and SupT1 cells allows the identification of candidate genes for restriction factors against HIV-1 .... ........................................................................................................................................ 84 3.2 Development of a humanized mouse model for HIV infection .................................... 117 3 3.2.1 Long-acting anti-retroviral drugs for treating HIV-1 in humanized mice ........... 117 3.2.2 High resolution mapping of HIV drug resistance evolution driven by APOBEC3G .............................................................................................................................. 130 3.2.3 Gene Therapy against HIV-1 using the humanized mice .................................... 147 4. Discussion ..................................................................................................................... 160 4.1 Identification of potential IFN-stimulated HIV-1 restriction factors ............................ 161 4.2 The development of humanized mice models to study mechanisms of HIV infection .... 166 4.2.1 Long-acting anti-retroviral drugs for treating HIV-1 in humanized mice................. 166 4.2.2 High resolution mapping of HIV drug resistance evolution driven by APOBEC3G ..... ............................................................................................................................................ 167 4.2.3 Gene therapy against HIV-1 using the humanized mice ........................................... 170 Acknowledgements ................................................................................................................ 171 Curriculum Vitae .................................................................................................................... 173 Personal data .......................................................................................................................... 173 References .............................................................................................................................. 177 4 Zusammenfassung Das Humane Immundefizienz-Virus Typ 1 (HIV-1) ist das Pathogen, welches verantwortlich ist für das erworbene Immundefizienzsyndrom (AIDS). Die Verbreitung von HIV-1 hat sich zu einer Pandemie entwickelt, mit weltweit mehr als 35 Millionen infizierten Menschen und jährlich neuen Infektionen. Trotz der verfügbaren, effizienten antiretroviralen Therapie (ART) steigt das Erscheinen von Medikamentenresistenz mit der Zeit und der Zugang zu ART ist beschränkt in Entwicklungsländern. Aus diesem Grund ist es notwendig, neue Strategien zu entwickeln für das Blockieren der Virusreplikation und nach einer permanenten Heilung zu suchen. Eines der Ziele dieser Doktorarbeit war die Identifizierung neuer zellulärer anti-HIV-1 Wirtsfaktoren, welche potenziell als neue therapeutische Ansätze benutzt werden können. Die meisten der bisher identifizierten Restriktionsfaktoren sind IFN--induzierbar und werden neutralisiert durch akzessorische HIV-1 Proteine. Wir suchten nach Restriktionsfaktoren in CD4+ T-Zellinien, in denen die HIV-1 Replikation stark inhibiert wurde durch IFN-. Wir identifizierten 44 mögliche Kandidaten in den beiden Zellinien, die möglicherweise zwischen der reversen Transkription und Integration eingreifen. Ein zweites Ziel dieser Doktorarbeit war es, ein verbessertes Wissen über den Beitrag der Hypermutationsaktivität des bekannten Restriktionsfaktors APOBEC3G (A3G) zur HIV-1 Evolution in vivo zu erlangen. A3G wurde hauptsächlich in vitro auf seine mutagene Kapazität untersucht. Zu diesem Zweck verwendeten wir die humanisierte Maus als Modell für die HIV-1 Infektion. In humanisierten Mäusen ist das Immunsystem defizient und wird rekonstituiert mit humanen hämatopoetischen Vorläuferzellen, die ein Immunsystem humaner Herkunft entwickeln, welches die HIV-1 Infektion in Mäusen erlaubt. Wir studierten Virusreplikation und Diversifizierung in Mäusen, die mit einer HIV-1 Mutante infiziert worden waren, welche unfähig ist, die Hypermutationsaktivität von A3G vollständig zu neutralisieren (Vif 45G). Wir beobachteten, dass die Infektion mit dieser Mutante nicht in einem erhöhten Erscheinen der Medikamentenresistenz resultierte, wie bisherig angenommen, sondern eher die virale Fitness von HIV-1 unter selektivem Druck erhöhte. 5 Summary Human immunodeficiency virus type -1 (HIV-1) is the pathogen responsible for the acquired immunodeficiency syndrome (AIDS). HIV-1 is pandemic, affecting more than 35 million people worldwide and there are newly infected people every year. Despite the efficient anti- retroviral therapies (ART) available, the emergence of drug resistance increases overtime and the access to ART is very limited in developing countries. Therefore it is necessary to develop new strategies to block viral replication and to seek for a permanent cure. Restriction factors are cellular proteins aiming at inhibiting pathogen invasion. One of the aims of this thesis was to identify new cellular host HIV-1 restriction factors, which potentially can be used as a new therapeutic approach. Key features or signatures of currently known restriction factors are i) IFN-α-inducible and ii) counteracted by HIV-1 accessory proteins. We screened for restriction factors in CD4+ T-cell lines in which HIV-1 replication was strongly inhibited by IFN-α. We identified 44 possible candidates that might act between viral reverse transcription and integration in two cell lines. A second aim of this thesis was to evaluate or explore the contribution of the hypermutation activity of the known restriction factor APOBEC3G (A3G) to HIV-1 evolution in vivo. A3G has been mainly characterized in vitro for its mutagenic capacity. To this end, we used the humanized mouse as a model for HIV-1 infection. In humanized mice, the immune system is deficient and reconstituted with human hematopoietic precursor cells, which develop an immune system of human origin, allowing HIV- infection in mice. We studied viral replication and diversification in mice infected with a HIV-1 mutant which is unable to completely counteract A3G’s hypermutation activity (Vif 45G). We observed that infection with this mutant did not result in an increased drug resistance appearance, as previously thought, but it rather increased the viral fitness of HIV-1 under selective pressure. 6 1. Introduction 7 The introduction of this thesis