Differences in cellular immunity between humans and chimpanzees in relation to their relative resistance to aids
Rutjens, E.D.I.
Citation
Rutjens, E. D. I. (2011, February 3). Differences in cellular immunity between humans and chimpanzees in relation to their relative resistance to aids. Retrieved from
https://hdl.handle.net/1887/16435
Version: Corrected Publisher’s Version
License: Licence agreement concerning inclusion of doctoral thesis in the Institutional Repository of the University of Leiden
Downloaded from: https://hdl.handle.net/1887/16435
Note: To cite this publication please use the final published version (if applicable).
Nederlandse Samenvatting
192
Nederlandse Samenvatting
Chimpansees zijn de enige diersoort waarvan bekend is dat ze vatbaar zijn voor HIV- 1 infectie. Gedurende verscheidene jaren van onderzoek is gebleken dat in tegenstelling tot de genetisch bijna identieke mens (98% sequentie homologie), de chimpansee relatief resistent is tegen de ontwikkeling van AIDS, terwijl de dieren levenslang geinfecteerd blijven. In het wild zijn er dieren gevonden die een lentivirus met zich mee dragen dat duidelijk gerelateerd is aan HIV-1, dit virus is bekend onder de naam SIVcpz. Uitgebreid genetisch onderzoek heeft aangetoond dat het humane virus direct gerelateerd is aan het virus dat bij chimpansees gevonden kan worden. De humane pandemie is hoogstwaarschijnlijk veroorzaakt doordat mensen besmet zijn geraakt met het virus van de chimpansees, bijvoorbeeld tijdens het slachten van deze apen voor consumptie. Hoofdstukken 1 en 2 van deze dissertatie beschrijven globaal de kennis en hypotheses die de basis zijn geweest voor het onderzoek dat beschreven wordt in de daaropvolgende hoofdstukken. Hierbij wordt ingegaan op de oorsprong van HIV-1 en de eerste studies die uitgevoerd zijn in chimpansees om dit virus verder te karakteriseren. Een aantal studies naar de incidentie van dit virus in chimpansees populaties in het wild toonden aan dat dit lentivirus voorkomt in specifieke populaties van chimpansees in 2 van de 4 ondersoorten die bekend zijn. Deze observaties waren aanleiding tot het opzetten van het experiment zoals omschreven in hoofdstuk 3.
In dit hoofdstuk wordt de experimentele transmissie van SIVcpz beschreven.
De eerste overdracht van dit virus werd uitgevoerd in een dier van de schweinfurthii ondersoort, waarvan bekend is dat er ook in het wild groepen besmet zijn met deze virus stam. De infectie vond plaats doormiddel van intraveneuze toediening van bloed van een geinfecteerd dier. Kort na transmissie vertoonde het dier een duidelijke virus productie en werd seropositief op een vergelijkbare manier als omschreven bij HIV infectie van mensen en chimpansees.
Als vervolg op dit experiment werden 2 dieren van een andere ondersoort (P.T. verus) die al eerder een experimentele HIV infectie hadden doorgemaakt, maar het virus uit hun plasma geklaard hadden, intraveneus blootgesteld aan met SIVcpz geinfecteerd materiaal, met hetzelfde resultaat als het eerste dier. Nu er duidelijk was aangetoond dat dieren van een ras waarvan tot op heden geen infecties in het wild zijn aangetroffen ook besmet kunnen worden met dit virus werden 4 dieren van dit zelfde
Chapter 10
ras (met een HIV infectie geschiedenis) via een mucosale route blootgesteld aan het virus om de natuurlijke overdracht in mensen na te bootsen. Twee dieren werden rectaal en 2 dieren werden vaginaal blootgesteld aan SIVcpz. De rectale route was effectief en de dieren raakten geinfecteerd, maar de vaginale blootstelling had geen infectie tot gevolg. De vaginale toediening werd in totaal 3 keer herhaald, bij de laatste infectieronde werd een extra dier dat nog niet eerder met HIV-1 in aanraking was geweest toegevoegd aan de andere 2 dieren. De 2 HIV geinfecteerde dieren raakten na 3 pogingen nog steeds niet geinfecteerd met SIVcpz, terwijl het naive dier na een ronde direct geinfecteerd raakte. Uit dit experiment kan geconcludeerd worden dat de eerdere infectie met HIV ervoor gezorgd heeft dat het vaginale mucosa een beschemende immuun respons herbergt. Alle sero postitieve dieren vertoonden vergelijkbare piek virus concentraties in plasma welke werden gevogd door een relatief hoge chronische virus load gedurende de periode van meer dan een jaar.
Gedurende deze infectie had geen van de dieren afwijkingen in het bloedbeeld en waren de hoeveelheden CD4 en CD8 T-cellen en B- en NK cellen binnen de grenzen van een gezond dier.
In hoofdstuk 4 bestudeerden we het celtype dat het directe target is voor het virus en welke een belangrijke rol speelt in de communicatie tussen de verschillende onderdelen van het immuunsysteem doormiddel van het produceren van cytokines en direct cel-cel contact; de CD4 T-cel. Infectie met HIV leidt tot verminderde functionaliteit van de T-helper cel, wat resulteert in verminderde IL-2, IFN- en TNF-
secretie na mitogeen en antigeen stimulatie. Daarnaast is aangetoond dat CD154 (CD40ligand), wat een belangrijke rol speelt in de stimulatie van dendritische cellen, verminderd tot expressie komt na HIV infectie. Deze vermindering in de productie van cytokines en co-stimulatoire eiwitten als direct gevolg van HIV infectie kan ertoe leiden dat alle andere belangrijke componenten van het immuunsysteem in hun functioneren belemmerd worden. In HIV geinfecteerde chimpanzees is deze cytokine productie alsmede de expressie van CD154 volledig intact. In de gezonde situatie wordt de expressie van CD40L gereguleerd via activerende signalen die binnen komen op het T-cel receptor complex. Maar wanneer tegelijkertijd de CD4 receptor geblokkeerd wordt door virale envelop eiwitten vindt de transcriptie van CD40L niet meer plaats in de mens. In CD4 T-cellen van chimpanzees is dit effect ook waargenomen, maar in tegenstelling tot de humane situatie treedt dit effect pas op bij
194
een 5 maal zo hoge virus concentratie, wat betekent dat in de chronische fase van de infectie de mens vele malen vatbaarder is voor immuun suppressie dan de chimpansee.
Uit uitgebreide fenotypische analyse van lymphocyten populaties in chimpansees bleek dat deze dieren een relatief hoge hoeveelheid NK cellen in hun bloed hebben in vergelijking tot de mens. Meerdere studies in mensen hebben aangetoond dat NK cellen na infectie met HIV hun functie verliezen, in HIV-1 geinfecteerde chimpansees was al bekend dat NK cellen werkzaam blijven na infectie met betrekking tot antilichaam afhankelijke cellulaire cytotoxie.
In hoofdstuk 5 wordt een uitgebreid vergelijk gemaakt tussen NK cellen van de mens en van de chimpansee, waarbij voornamelijk gekeken is naar de expressie en functie van NK specifieke activerende receptoren. Chimpansee NK cellen lijken in vele opzichten op humane NK cellen, met een duidelijke uitzondering; de expressie van NKp30. Deze receptor is in perifere bloed NK cellen niet aanwezig en is induceerbaar door stimulatie met IL-2, terwijl humane NK cellen altijd NKp30 op hun membraam hebben. Deze induceerbaarheid kan grote gevolgen spelen in het vormgeven van de dendritische cell pool, wat een belangrijke stap is in de voming van een goede afweer tegen binnendringende pathogenen zoals HIV. Moleculair biologische karakterisatie van de verschillende activerende NK receptoren leidde tot de conclusie dat de humane en de chimpansee eiwitten een zeer hoge graad van homologie hebben, met in NKp30 maar 1 aminozuur verschil. Functioneel verschillen de humane en chimpansee NK cell nauwelijks van elkaar in zowel het produceren van cytokines als in cytotoxische effecten. In HIV/SIVcpz geinfecteerde dieren werden geen duidelijke aawijzingen voor veranderingen in de NK cel populatie gevonden, terwijl in de humane situatie HIV geinfecteerde patienten duidelijk minder functionele NK cellen hebben, wat voornamelijk veroorzaakt wordt door de verminderde expressie van activerende receptoren op de membraan van de cellen.
Mogelijk speelt het intact blijven van de expressie van de activerende NK receptoren een belangrijke rol in de resistentie tegen AIDS in chimpansees.
In hoofdstuk 6 wordt de functionaliteit van 2 NK fenotypen omschreven die aanwezig zijn in de chimpansee. Chimpansee NK cellen hebben in tegenstelling tot humane NK cellen een hoge expressie van CD8 en geen expressie van CD56.
Humane NK cellen kunnen op basis van hun CD56 expressie in 3 functionele groepen worden ingedeeld, waarbij de CD56bright cellen bekend staan als cytokine
Chapter 10
producerende cellen en de CD56dim cellen sterk cytotoxisch zijn. De CD56 negatieve cellen worden gekarakterizeerd door hoge expressie van HLA-DR en zijn niet meer in staat tot het uitvoeren van NK specifieke taken en worden daarom ook wel terminaal gedifferentieerd genoemd. In HIV geinfecteerde patienten is er een duidelijke verhoging van deze CD56 negatieve, niet functionerende cellen waargenomen, terwijl de functionele populaties gedurende de infectie langzaam verdwijnen. In chimpanzees bestaan 2 populaties NK cellen op basis van CD8 expressie. CD8 positieve cellen zijn functioneel intact, terwijl de CD8 negatieve NK cellen een anergische populatie vertegenwoordigen welke mogelijk vergelijkbaar is met de CD56 negatieve NK cellen in de mens. CD8+NK cellen hebben een hoge expressie van activerende receptoren, vertonen een sterke cytokine productie en hebben een hoge cytotoxische capaciteit. In tegenstelling tot HIV geinfecteerde mensen blijft bij HIV/SIVcpz geinfecteerde chimpansees de functionele CD8 positieve NK cel populatie intact.
In hoofdstuk 7 wordt de activerende NKp44 NK receptor bestudeerd. NKp44 expressie is tot nu toe alleen aangetoond in de mens, het gen ontbreekt bijvoorbeeld in knaagdieren. Hoewel het NKp44 gen wel aanwezig was in cynomolgus makaken, bleek, er een extra regio van 54 baseparen aanwezig te zijn in exon 3 van het gen.
Deze insertie kan een verklaring vormen voor de lage transcriptie en translatie, waardoor het eiwit bijna niet tot expressie komt in deze diersoort. In chimpanzees, werd een intact gen gevonden, en tevens werden hoge hoeveelheden RNA transcripten van NKp44 in perifere NK cellen gevonden (5 maal hoger dan in de mens). Echter in perifere NK cellen van chimpansees is de NKp44 expressie net zo laag als bij de mens. Na stimulatie van NK cellen stijgt bij de mens zowel de hoeveelheid RNA transcripten als de NKp44 eiwit expressie, terwijl bij chimpanzees geen toename van RNA plaats vindt, maar wel van NKp44 eiwit expressie plaats vind (alhoewel nog steeds 4 keer lager dan bij de mens).. Deze observaties leiden tot de conclusie dat de expressie van het NKp44 eiwit in beide soorten op een andere manier gereguleerd wordt. Functioneel komen de humane en chimpansee variant van dit eiwit volledig overeen en leveren ze beiden een vergelijkbaar signaal in een redirected killing assay, als men corrigeert voor het expressieverschil.
Hoewel niet direct aangetoond in dit proefschrift, kunnen de gevonden verschillen in NKp30 en NKp44 regulatie bijdragen aan het verschil in ziekteverloop tussen HIV geinfecteerde chimpansees en de mens. Een deel van het HIV envelop eiwit kan bijvoorbeeld bij de mens op CD4 T-cellen expressie van de ligand van
196
NKp44 induceren, hetgeen leidt tot een verhoogde eliminatie van deze cellen. Dit effect zal mogelijk bij de chimpansee minder sterk optreden. Expressie van NKp30 speelt een belangrijke rol bij de interactie tussen NK cellen en dendritische cellen, hetgeen zowel de overleving als functie van deze cellen kan beinvloeden.
Chapter 10
198
