PB
Peter Balfe
Author with expertise in Hepatitis C Infection and Treatment
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
12
(83% Open Access)
Cited by:
2,277
h-index:
46
/
i10-index:
95
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Human immunodeficiency virus-infected individuals contain provirus in small numbers of peripheral mononuclear cells and at low copy numbers

Peter Simmonds et al.Feb 1, 1990
In human immunodeficiency virus (HIV)-infected individuals, the proportion of circulating mononuclear cells (PBMCs) which carry HIV provirus and the number of HIV proviral sequences per infected PBMC have been matters for conjecture. Using a double polymerase chain reaction which allows the detection of single molecules of provirus and a method of quantifying the provirus molecules, we have measured provirus frequencies in infected individuals down to a level of one molecule per 10(6) PBMCs. As a general rule, only a small proportion of PBMCs contain provirus (median value of samples from 12 patients, one per 8,000 cells), and most if not all of the infected cells carry a single provirus molecule. The frequency of provirus-carrying cells correlated positively both with the progression of the disease and with the success with which virus could be isolated from the same patients by cocultivation methods. Of seven asymptomatic (Centers for Disease Control stage II) patients, all but one contained one provirus molecule per 6,000 to 80,000 cells; of five Centers for Disease Control stage IV patients, all but one contained one provirus molecule per 700 to 3,300 cells. When considered in conjunction with estimates of the frequency of PBMCs that express viral RNA, our results suggest that either (i) the majority of provirus-containing cells are monocytes or (ii) most provirus-containing lymphocytes are transcriptionally inactive. We also present nucleotide sequence data derived directly from provirus present in vivo which we show is not marred by the in vitro selection of potential virus variants or by errors introduced by Taq polymerase. We argue from these data that, of the provirus present in infected individuals, the proportion which is defective is not high in the regions sequenced.
0
Citation603
0
Save
0

Neutralizing antibody response during acute and chronic hepatitis C virus infection

Carine Logvinoff et al.Jun 25, 2004
Little is known about the role of Abs in determining the outcome of hepatitis C virus (HCV) infection. By using infectious retroviral pseudotypes bearing HCV glycoproteins, we measured neutralizing Ab (nAb) responses during acute and chronic HCV infection. In seven acutely infected health care workers, only two developed a nAb response that failed to associate with viral clearance. In contrast, the majority of chronically infected patients had nAbs. To determine the kinetics of strain-specific and crossreactive nAb emergence, we studied patient H, the source of the prototype genotype 1a H77 HCV strain. An early weak nAb response, specific for the autologous virus, was detected at seroconversion. However, neutralization of heterologous viruses was detected only between 33 and 111 weeks of infection. We also examined the development of nAbs in 10 chimpanzees infected with H77 clonal virus. No nAb responses were detected in three animals that cleared virus, whereas strain-specific nAbs were detected in six of the seven chronically infected animals after approximately 50 weeks of infection. The delayed appearance of high titer crossreactive nAbs in chronically infected patients suggests that selective mechanism(s) may operate to prevent the appearance of these Abs during acute infection. The long-term persistence of these nAbs in chronically infected patients may regulate viral replication.
0

Hepatitis C Virus Continuously Escapes From Neutralizing Antibody and T-Cell Responses During Chronic Infection In Vivo

Thomas Hahn et al.Dec 4, 2006
Background & Aims: Broadly reactive neutralizing antibodies (nAbs) and multispecific T-cell responses are generated during chronic hepatitis C virus (HCV) infection and yet fail to clear the virus. This study investigated the development of autologous nAb and HCV-glycoprotein–specific T-cell responses and their effects on viral sequence evolution during chronic infection in order to understand the reasons for their lack of effectiveness.Methods: Numerous E1E2 sequences were amplified and sequenced from serum samples collected over a 26-year period from patient H, a uniquely well-characterized, chronically infected individual. HCV pseudoparticles (HCVpp) expressing the patient-derived glycoproteins were generated and tested for their sensitivity to neutralization by autologous and heterologous serum antibodies.Results: A strain-specific nAb response developed early in infection (8 weeks postinfection), whereas cross-reactive antibodies able to neutralize HCVpp-bearing heterologous glycoproteins developed late in infection (>33 wk postinfection). The humoral response continuously failed to neutralize viruses bearing autologous glycoprotein sequences that were present in the serum at a given time. The amplified glycoprotein sequences displayed high variability, particularly in regions corresponding to defined linear B-cell epitopes. Mutations in defined neutralizing epitopes were associated with a loss of recognition by monoclonal antibodies against these epitopes and with decreased neutralization of corresponding HCVpp. Viral escape from CD4 and CD8 T-cell responses also was shown for several novel epitopes throughout the glycoprotein region.Conclusions: During chronic infection HCV is subjected to selection pressures from both humoral and cellular immunity, resulting in the continuous generation of escape variants. Background & Aims: Broadly reactive neutralizing antibodies (nAbs) and multispecific T-cell responses are generated during chronic hepatitis C virus (HCV) infection and yet fail to clear the virus. This study investigated the development of autologous nAb and HCV-glycoprotein–specific T-cell responses and their effects on viral sequence evolution during chronic infection in order to understand the reasons for their lack of effectiveness. Methods: Numerous E1E2 sequences were amplified and sequenced from serum samples collected over a 26-year period from patient H, a uniquely well-characterized, chronically infected individual. HCV pseudoparticles (HCVpp) expressing the patient-derived glycoproteins were generated and tested for their sensitivity to neutralization by autologous and heterologous serum antibodies. Results: A strain-specific nAb response developed early in infection (8 weeks postinfection), whereas cross-reactive antibodies able to neutralize HCVpp-bearing heterologous glycoproteins developed late in infection (>33 wk postinfection). The humoral response continuously failed to neutralize viruses bearing autologous glycoprotein sequences that were present in the serum at a given time. The amplified glycoprotein sequences displayed high variability, particularly in regions corresponding to defined linear B-cell epitopes. Mutations in defined neutralizing epitopes were associated with a loss of recognition by monoclonal antibodies against these epitopes and with decreased neutralization of corresponding HCVpp. Viral escape from CD4 and CD8 T-cell responses also was shown for several novel epitopes throughout the glycoprotein region. Conclusions: During chronic infection HCV is subjected to selection pressures from both humoral and cellular immunity, resulting in the continuous generation of escape variants. See editorial on page 801. See editorial on page 801. Hepatitis C virus (HCV) is an important human pathogen infecting about 170 million people worldwide. In the United States, it is the single most common cause of chronic liver disease requiring liver transplantation.1Alter M. Hepatitis C virus infection in the United States.J Hepatol. 1999; 31: 88-91Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar, 2Alter M. Margolis H. Krawczynski K. Judson F. Mares A. Alexander W. Hu P. Miller J. Gerber M. Sampliner R. et al.The Sentinel Counties Chronic non-A, non-B Hepatitis Study TeamThe natural history of community-acquired hepatitis C in the United States.N Engl J Med. 1992; 327: 1899-1905Crossref PubMed Scopus (1646) Google Scholar Cellular and humoral responses are generated during acute infection, however, they are insufficient to achieve viral clearance in the majority of individuals, with approximately 60%–80% of new infections becoming persistent. In vivo, HCV replicates to high levels using an error-prone viral RNA polymerase, which leads to a spectrum of related but distinct sequences within infected individuals, often referred to as a quasispecies.3Martell M. Esteban J. Quer J. Genesca J. Weiner A. Esteban R. Guardia J. Gomez J. Hepatitis C virus (HCV) circulates as a population of different but closely related genomes: quasispecies nature of HCV genome distribution.J Virol. 1992; 66: 3225-3229Crossref PubMed Google Scholar The immune system is thought to exert unequal selective pressure on variants within the circulation, favoring the rapid emergence of escape mutants.4Brown R. Juttla V. Tarr A. Finnis R. Irving W. Hemsley S. Flower D. Borrow P. Ball J. Evolutionary dynamics of hepatitis C virus envelope genes during chronic infection.J Gen Virol. 2005; 86: 1931-1942Crossref PubMed Scopus (30) Google Scholar Escape from CD8 T-cell responses by mutation is well documented and an important predictor of progression to chronic HCV infection.5Weiner A. Erickson A. Kansopon J. Crawford K. Muchmore E. Hughes A. Houghton M. Walker C. Persistent hepatitis C virus infection in a chimpanzee is associated with emergence of a cytotoxic T lymphocyte escape variant.Proc Natl Acad Sci U S A. 1995; 92: 2755-2759Crossref PubMed Scopus (312) Google Scholar, 6Chang K. Rehermann B. McHutchison J. Pasquinelli C. Southwood S. Sette A. Chisari F. Immunological significance of cytotoxic T lymphocyte epitope variants in patients chronically infected by the hepatitis C virus.J Clin Invest. 1997; 100: 2376-2385Crossref PubMed Scopus (299) Google Scholar, 7Erickson A. Kimura Y. Igarashi S. Eichelberger J. Houghton M. Sidney J. McKinney D. Sette A. Hughes A. Walker C. The outcome of hepatitis C virus infection is predicted by escape mutations in epitopes targeted by cytotoxic T lymphocytes.Immunity. 2001; 15: 883-895Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (359) Google Scholar, 8Seifert U. Liermann H. Racanelli V. Halenius A. Wiese M. Wedemeyer H. Ruppert T. Rispeter K. Henklein P. Sijts A. Hengel H. Kloetzel P.M. Rehermann B. Hepatitis C virus mutation affects proteasomal epitope processing.J Clin Invest. 2004; 114: 250-259Crossref PubMed Scopus (129) Google Scholar In keeping with this, a vigorous and broad CD8 T-cell response during the acute phase of infection is associated with viral clearance.9Cooper S. Erickson A. Adams E. Kansopon J. Weiner A. Chien D. Houghton M. Parham P. Walker C. Analysis of a successful immune response against hepatitis C virus.Immunity. 1999; 10: 439-449Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (728) Google Scholar, 10Lechner F. Wong D. Dunbar P. Chapman R. Chung R. Dohrenwend P. Robbins G. Phillips R. Klenerman P. Walker B. Analysis of successful immune responses in persons infected with hepatitis C virus.J Exp Med. 2000; 191: 1499-1512Crossref PubMed Scopus (1132) Google Scholar, 11Thimme R. Oldach D. Chang K. Steiger C. Ray S. Chisari F. Determinants of viral clearance and persistence during acute hepatitis C virus infection.J Exp Med. 2001; 194: 1395-1406Crossref PubMed Scopus (1038) Google Scholar Studies of acute HCV infection in chimpanzees previously exposed to the virus provide compelling evidence that protective CD8 T-cell–mediated immunity exists.12Shoukry N.H. Grakoui A. Houghton M. Chien D.Y. Ghrayeb J. Reimann K.A. Walker C.M. Memory CD8+ T cells are required for protection from persistent hepatitis C virus infection.J Exp Med. 2003; 197: 1645-1655Crossref PubMed Scopus (546) Google Scholar CD4 T cells also are required for control of HCV on re-exposure, but their role is less well defined.13Grakoui A. Shoukry N.H. Woollard D.J. Han J.H. Hanson H.L. Ghrayeb J. Murthy K.K. Rice C.M. Walker C.M. HCV persistence and immune evasion in the absence of memory T cell help.Science. 2003; 302: 659-662Crossref PubMed Scopus (708) Google Scholar Even less is known about the impact of the humoral immune response on HCV pathobiology. Without the ability to culture HCV, there was, until recently, no simple in vitro method to evaluate viral escape from the antibody-mediated immune response. The development of HCV glycoprotein-bearing retroviral pseudoparticles (HCVpp) has made it possible to assess antibody-dependent neutralization of HCV entry.14Hsu M. Zhang J. Flint M. Logvinoff C. Cheng-Mayer C. Rice C. McKeating J. Hepatitis C virus glycoproteins mediate pH-dependent cell entry of pseudotyped retroviral particles.Proc Natl Acad Sci U S A. 2003; 100: 7271-7276Crossref PubMed Scopus (698) Google Scholar, 15Bartosch B. Bukh J. Meunier J. Granier C. Engle R. Blackwelder W. Emerson S. Cosset F. Purcell R. In vitro assay for neutralizing antibody to hepatitis C virus: evidence for broadly conserved neutralization epitopes.Proc Natl Acad Sci U S A. 2003; 100: 14199-14204Crossref PubMed Scopus (289) Google Scholar, 16Drummer H.E. Maerz A. Poumbourios P. Cell surface expression of functional hepatitis C virus E1 and E2 glycoproteins.FEBS Lett. 2003; 546: 385-390Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (171) Google Scholar, 17Logvinoff C. Major M. Oldach D. Heyward S. Talal A. Balfe P. Feinstone S. Alter H. Rice C. McKeating J. Neutralizing antibody response during acute and chronic hepatitis C virus infection.Proc Natl Acad Sci U S A. 2004; 101: 10149-10154Crossref PubMed Scopus (357) Google Scholar, 18McKeating J. Zhang L. Logvinoff C. Flint M. Zhang J. Yu J. Butera D. Ho D. Dustin L. Rice C. Balfe P. Diverse hepatitis C virus glycoproteins mediate viral infection in a CD81-dependent manner.J Virol. 2004; 78: 8496-8505Crossref PubMed Scopus (141) Google Scholar Neutralizing antibody (nAb) responses often provide the first-line adaptive defense against infection by limiting virus spread. Serum antibodies from chronically HCV-infected individuals show broadly reactive neutralizing properties and yet fail to clear viral infection.15Bartosch B. Bukh J. Meunier J. Granier C. Engle R. Blackwelder W. Emerson S. Cosset F. Purcell R. In vitro assay for neutralizing antibody to hepatitis C virus: evidence for broadly conserved neutralization epitopes.Proc Natl Acad Sci U S A. 2003; 100: 14199-14204Crossref PubMed Scopus (289) Google Scholar, 17Logvinoff C. Major M. Oldach D. Heyward S. Talal A. Balfe P. Feinstone S. Alter H. Rice C. McKeating J. Neutralizing antibody response during acute and chronic hepatitis C virus infection.Proc Natl Acad Sci U S A. 2004; 101: 10149-10154Crossref PubMed Scopus (357) Google Scholar, 19Meunier J.C. Engle R.E. Faulk K. Zhao M. Bartosch B. Alter H. Emerson S.U. Cosset F.L. Purcell R.H. Bukh J. Evidence for cross-genotype neutralization of hepatitis C virus pseudo-particles and enhancement of infectivity by apolipoprotein C1.Proc Natl Acad Sci U S A. 2005; 102: 4560-4565Crossref PubMed Scopus (229) Google Scholar The reasons for their lack of effect are understood poorly, however, one possible explanation is that Ab response(s) are less able to neutralize autologous glycoprotein species circulating within an individual at the time of sampling. In setting out to address these questions we were fortunate to have access to sequential serum samples from patient H, an individual who was infected with HCV in 1977 and has been meticulously followed-up since then. Moreover, patient H was the source of the prototype HCV strains H and H77, and thus a wide range of tailor-made reagents are available for virologic and immunologic analyses.20Yanagi M. Purcell R. Emerson S. Bukh J. Transcripts from a single full-length cDNA clone of hepatitis C virus are infectious when directly transfected into the liver of a chimpanzee.Proc Natl Acad Sci U S A. 1997; 94: 8738-8743Crossref PubMed Scopus (467) Google Scholar, 21Kolykhalov A. Agapov E. Blight K. Mihalik K. Feinstone S. Rice C. Transmission of hepatitis C by intrahepatic inoculation with transcribed RNA.Science. 1997; 277: 570-574Crossref PubMed Scopus (637) Google Scholar, 22Ogata N. Alter H. Miller R. Purcell R. Nucleotide sequence and mutation rate of the H strain of hepatitis C virus.Proc Natl Acad Sci U S A. 1991; 88: 3392-3396Crossref PubMed Scopus (534) Google Scholar For these reasons this patient is a unique subject for studies into the immunologic history of chronic HCV infection. To assess the impact of the HCV quasispecies on the nAb response we generated HCVpp-bearing glycoprotein variants cloned from sequential samples from chronically infected patient H. By using a series of samples obtained between 3 weeks postinfection and throughout the 26 years thereafter, we sought to investigate the process of antigenic escape in the viral glycoproteins from humoral and cellular immune surveillance. We found compelling evidence for repeated mutational change resulting in loss of recognition of the HCV glycoprotein by the cognate antibody response and escape from antibody-mediated neutralization. Similarly, mapping of T-cell responses to the E1E2 region identified 4 novel T-cell epitopes in which mutations occurred, leading to escape from CD4 and CD8 T-cell recognition. Both 293T and Hep3B cells were propagated in Dulbecco’s modified Eagle medium with 10% fetal bovine serum. Antibodies against HCV E2 have been described previously.14Hsu M. Zhang J. Flint M. Logvinoff C. Cheng-Mayer C. Rice C. McKeating J. Hepatitis C virus glycoproteins mediate pH-dependent cell entry of pseudotyped retroviral particles.Proc Natl Acad Sci U S A. 2003; 100: 7271-7276Crossref PubMed Scopus (698) Google Scholar, 23Flint M. Maidens C. Loomis-Price L.D. Shotton C. Dubuisson J. Monk P. Higginbottom A. Levy S. McKeating J.A. Characterization of hepatitis C virus E2 glycoprotein interaction with a putative cellular receptor, CD81.J Virol. 1999; 73: 6235-6244Crossref PubMed Google Scholar To generate soluble CD81 an expression plasmid encoding the CD81 large extracellular loop fused to Glutathione S-transferase (GST) was transformed into Rosetta-gami Escherichia coli (Novagen, La Jolla, CA). Fusion proteins were prepared by lysis with an Avestin (Avestin, Ottawa, Canada) air emulsifier (3 passages at 15,000 psi) and subsequent centrifugation (25,000 × g for 30 min at 4°C). Cleared lysates were purified over a GSTrap FF affinity column according to the manufacturer’s instructions (Amersham Biosciences, Piscataway, NJ). For the initial screening of T-cell responses against the HCV E1 and E2 proteins, 15-mer peptides (total, 111) (Mimotopes, Clayton, Australia), overlapping by 10 amino acids and covering the complete HCV H77 (genotype 1a) E1E2 sequence, were resuspended at 20 mg/mL in dimethyl sulfoxide and further diluted with phosphate-buffered saline (PBS) solution to obtain a final concentration of 1 μg/mL. For direct comparison of responses against the mutant epitopes, the corresponding mutant peptides were synthesized at Rockefeller University (New York, NY) to more than 95% purity. The plasmid encoding H77 E1E2 has been described previously.14Hsu M. Zhang J. Flint M. Logvinoff C. Cheng-Mayer C. Rice C. McKeating J. Hepatitis C virus glycoproteins mediate pH-dependent cell entry of pseudotyped retroviral particles.Proc Natl Acad Sci U S A. 2003; 100: 7271-7276Crossref PubMed Scopus (698) Google Scholar, 21Kolykhalov A. Agapov E. Blight K. Mihalik K. Feinstone S. Rice C. Transmission of hepatitis C by intrahepatic inoculation with transcribed RNA.Science. 1997; 277: 570-574Crossref PubMed Scopus (637) Google Scholar, 24Flint M. Logvinoff C. Rice C. McKeating J. Characterization of infectious retroviral pseudotype particles bearing hepatitis C virus glycoproteins.J Virol. 2004; 78: 6875-6882Crossref PubMed Scopus (81) Google Scholar Total RNA was prepared from HCV-infected plasma using commercial kits (Qiagen, Valencia, CA).25Hammond A. Lewis J. May J. Albert J. Balfe P. McKeating J. Antigenic variation within the CD4 binding site of human immunodeficiency virus type 1 gp120: effects on chemokine receptor utilization.J Virol. 2001; 75: 5593-5603Crossref PubMed Scopus (8) Google Scholar Briefly, complementary DNA (cDNA) was synthesized in a reaction volume of 20 μL, containing 2–5 μL of template RNA, 2.5 U of Multiscribe MMuLV reverse transcriptase with 400 μmol/L each of the 4 deoxynucleoside triphosphates and 200 nmol/L of the antisense primer p7-2710 (AGC AGG AGG AGN GGC CAY ATC CCR TAG A, Y = C/T mixture, R = A/G, N = A/G/C/T) in the manufacturer’s recommended buffer (N808-0234; ABI, Foster City, CA) for 2 hours at 42°C. This cDNA was used as the template for polymerase chain reaction (PCR) amplification of the E1E2 region as previously described.24Flint M. Logvinoff C. Rice C. McKeating J. Characterization of infectious retroviral pseudotype particles bearing hepatitis C virus glycoproteins.J Virol. 2004; 78: 6875-6882Crossref PubMed Scopus (81) Google Scholar Briefly, a 50-μL PCR was set up containing 2.5 μL of cDNA, 2.5 U of the proofreading Expand polymerase mixture (1 681 834; Roche, Mannheim, Germany) in 1× Expand buffer 3 (2.25 mmol/L Mg2+), with 400 μmol/L each of the 4 deoxynucleoside triphosphates and 200 nmol/L each of the primers core+813 (GAG GAC GGY RTR AAY TAY GCA ACA GG; sense) and p7-2710. The PCR consisted of 30 cycles at 92°C for 45 seconds, 45°C for 45 seconds, and 68°C for 300 seconds, and was performed in an Eppendorf (Westbury, NY) thermal cycler. A total of 2 μL of the completed reaction was used as template for a second amplification, containing the same reaction components as described previously with 200 nmol/L of the primers core+843 (CACC ATG GGT TGC TCT TTC TCT ATC TT; sense) and E2-2580H (CTA CTA CGC CTC CGC TTG GGA TAT GAG TAA CAT CAT CCA, antisense). This second round of PCR comprised 25 cycles at 92°C for 35 seconds, 55°C for 35 seconds, and 68°C for 150 seconds. In those cases in which the input RNA was more than 2000 viral copies, full-length E1E2 was amplified readily. PCR products were cloned into pcDNA3.1D-TOPO (K4900-01; Invitrogen, Carlsbad, CA) and the sense and antisense strands were sequenced (Big Dye 3.1 Terminator Kit; ABI). All sequences were deposited with Genbank and have the accession numbers DQ897773–DQ897818. Several sequences for the E1E2 region of HCV within this patient have been deposited in Genbank previously. For comparison with the new sequences described here we included the following sequences from 1977 in our analyses: H77C (AF01175120Yanagi M. Purcell R. Emerson S. Bukh J. Transcripts from a single full-length cDNA clone of hepatitis C virus are infectious when directly transfected into the liver of a chimpanzee.Proc Natl Acad Sci U S A. 1997; 94: 8738-8743Crossref PubMed Scopus (467) Google Scholar), HPCST77 (M6238122Ogata N. Alter H. Miller R. Purcell R. Nucleotide sequence and mutation rate of the H strain of hepatitis C virus.Proc Natl Acad Sci U S A. 1991; 88: 3392-3396Crossref PubMed Scopus (534) Google Scholar), H77IMC (AF00960621Kolykhalov A. Agapov E. Blight K. Mihalik K. Feinstone S. Rice C. Transmission of hepatitis C by intrahepatic inoculation with transcribed RNA.Science. 1997; 277: 570-574Crossref PubMed Scopus (637) Google Scholar), H21 (AF01175320Yanagi M. Purcell R. Emerson S. Bukh J. Transcripts from a single full-length cDNA clone of hepatitis C virus are infectious when directly transfected into the liver of a chimpanzee.Proc Natl Acad Sci U S A. 1997; 94: 8738-8743Crossref PubMed Scopus (467) Google Scholar), H (M6746326Inchauspe G. Zebedee S. Lee D. Sugitani M. Nasoff M. Prince A. Genomic structure of the human prototype strain H of hepatitis C virus: comparison with American and Japanese isolates.Proc Natl Acad Sci U S A. 1991; 88: 10292-10296Crossref PubMed Scopus (251) Google Scholar), and H11 (AF01175220Yanagi M. Purcell R. Emerson S. Bukh J. Transcripts from a single full-length cDNA clone of hepatitis C virus are infectious when directly transfected into the liver of a chimpanzee.Proc Natl Acad Sci U S A. 1997; 94: 8738-8743Crossref PubMed Scopus (467) Google Scholar). An additional clone, H90, obtained in 1990, was available and was included in the analysis (M6238222Ogata N. Alter H. Miller R. Purcell R. Nucleotide sequence and mutation rate of the H strain of hepatitis C virus.Proc Natl Acad Sci U S A. 1991; 88: 3392-3396Crossref PubMed Scopus (534) Google Scholar). In addition to the sequences recorded in Genbank, several sequences for the E2 hypervariable region (HVR) were reported by Ogata et al,22Ogata N. Alter H. Miller R. Purcell R. Nucleotide sequence and mutation rate of the H strain of hepatitis C virus.Proc Natl Acad Sci U S A. 1991; 88: 3392-3396Crossref PubMed Scopus (534) Google Scholar and several matched the HVR sequences of clones obtained in this study (data not shown). The nucleotide sequences were aligned and translated using the SeAL2.0 program (A. Rambaut, Oxford University, available at: http://evolve.zoo.ox.ac.uk). Synonymous and nonsynonymous distances were estimated using the Nei and Gojobori27Nei M. Gojobori T. Simple methods for estimating the numbers of synonymous and nonsynonymous nucleotide substitutions.Mol Biol Evol. 1986; 3: 418-426PubMed Google Scholar method implemented in the PAML3.14 program.28Yang Z. Maximum likelihood estimation on large phylogenies and analysis of adaptive evolution in human influenza virus A.J Mol Evol. 2000; 51: 423-432Crossref PubMed Scopus (183) Google Scholar Phylogenetic analyses were performed using the PAUP 4.0 software package29Rogers J. Swofford D. A fast method for approximating maximum likelihoods of phylogenetic trees from nucleotide sequences.Syst Biol. 1998; 47: 77-89Crossref PubMed Scopus (155) Google Scholar using a modified HKY85 evolutionary model for the data, selected by hierarchic likelihood testing (program Modeltest 3.630Posada D. Crandall K. MODELTEST: testing the model of DNA substitution.Bioinformatics. 1998; 14: 817-818Crossref PubMed Scopus (18327) Google Scholar), the transition/transversion ratio (7.04), proportion of invariable sites (.46), and gamma distribution shape parameter (α) for variable sites (.86) were estimated by maximum likelihood methods; distance estimates were averaged within and between groups using Excel 2001 (Microsoft, Redmond, WA). Pseudoparticles were generated by transfection of 293T cells with pNL4-3.Luc.R−E− plasmid containing the env-defective proviral genome and an expression plasmid encoding the HCV glycoproteins (gps), as previously described.14Hsu M. Zhang J. Flint M. Logvinoff C. Cheng-Mayer C. Rice C. McKeating J. Hepatitis C virus glycoproteins mediate pH-dependent cell entry of pseudotyped retroviral particles.Proc Natl Acad Sci U S A. 2003; 100: 7271-7276Crossref PubMed Scopus (698) Google Scholar The virus containing extracellular media was collected 48 and 72 hours after transfection. Heat-inactivated sera, monoclonal antibodies (MAbs), or soluble CD81 were incubated with virus at their appropriate dilution in 3% fetal bovine serum/Dulbecco’s modified Eagle medium plus 4 μg/mL polybrene at 37°C for 1 hour. The virus-Ab mixture was transferred to Hep3B cells seeded in 96-well plates (8 × 103 cells/well) and infections were centrifuged at 400g for 1 hour, incubated at 37°C for 6 hours, and unbound virus was removed and incubated for a total of 72 hours. Cells were lysed with cell lysis buffer (Promega, Madison, WI) and tested for luciferase activity as previously described.14Hsu M. Zhang J. Flint M. Logvinoff C. Cheng-Mayer C. Rice C. McKeating J. Hepatitis C virus glycoproteins mediate pH-dependent cell entry of pseudotyped retroviral particles.Proc Natl Acad Sci U S A. 2003; 100: 7271-7276Crossref PubMed Scopus (698) Google Scholar The percentage neutralization was determined by comparing pseudoparticle infectivity (luciferase relative light units) in the presence of a test serum or MAb with infection in the presence of a control HCV-negative serum or an irrelevant isotype-matched immunoglobulin (Ig)G at the same dilution. GNA lectin (Sigma, St. Louis, MO) was used to coat Immulon II enzyme-linked immunosorbent assays (EIA) plates (Nunc, Rochester, NY) at 1 μg/mL for 4 hours at 37°C. After washing with PBS, the plates were blocked with 5% bovine serum albumin/PBS and lysates of cells expressing HCV E1E2 or pelleted virus allowed to bind overnight at 4°C. A preparation of truncated E2661 was used as an internal calibrator in all EIAs and allowed comparison of data between different assays. Bound antigen was visualized with MAbs specific for E2 or pooled HCV-positive human sera, an antispecies IgG–horseradish-peroxidase conjugate (Jackson, West Grove, PA) and tetramethylbenzidene (BioFX Laboratories, Owings Mills, MD). Absorbance values were measured at 450 nm (fusion plate reader; Perkin Elmer, Boston, MA). Peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) were isolated by density gradient centrifugation as previously described.31Takaki A. Wiese M. Maertens G. Depla E. Seifert U. Liebetrau A. Miller J. Manns M. Rehermann B. Cellular immune responses persist and humoral responses decrease two decades after recovery from a single-source outbreak of hepatitis C.Nat Med. 2000; 6: 578-582Crossref PubMed Scopus (679) Google Scholar For selected experiments, CD8 T cells were isolated from PBMCs using CD8 microbeads and the autoMACS separator (Miltenyi, Bergisch-Gladbach, Germany). Subsequently, CD4 T cells were isolated from the CD8-negative population using CD4 microbeads. The purity of the CD8 T-cell population was 95% and the purity of the CD4 T-cell population was 92%, as analyzed by flow cytometry. The negatively selected CD4−CD8− cells were irradiated (3000 rad) and 105 cells per well were used as feeder cells in enzyme-linked immunospot assays. Interferon-γ enzyme-linked immunospot assays were performed as described32Rahman F. Heller T. Sobao Y. Mizukoshi E. Nascimbeni M. Alter H. Herrine S. Hoofnagle J. Liang T. Rehermann B. Effects of antiviral therapy on the cellular immune response in acute hepatitis C.Hepatology. 2004; 40: 87-97Crossref PubMed Scopus (120) Google Scholar using duplicate cultures of either the indicated number of CD4 and CD8 T cells and 105 irradiated (3,000 rad) CD4−CD8− cells, or 3 × 105 CD25-depleted PBMCs. Cells were stimulated with either 1 μg/mL of the individual HCV E1E2 peptides, 10 μg/mL of either wild-type or mutant epitope peptides, 1 μg/mL phytohemagglutinin (Murex Biotech Limited, Dartford, England), or dimethyl sulfoxide control, respectively. The number of spot-forming cells was determined with a KS enzyme-linked immunospot Reader (Zeiss, Thornwood, NY). Numbers of antigen-specific spot-forming cells (in the presence of antigen minus spot-forming cells in dimethyl sulfoxide controls) are shown. Patient H, the subject of this study, was infected with HCV through a blood transfusion in 1977 while undergoing cardiac surgery. After an initial high alanine aminotransferase peak (2112 IU/L), indicative of severe acute hepatitis, he went on to develop mild chronic hepatitis with persistently low alanine aminotransferase levels and HCV RNA levels in the 104 and 106 genome copies/mL range over the following 26 years (Figure 1A). Patient H underwent liver biopsy procedures on 4 occasions, each showing minimal inflammation with no fibrosis and no discernable progression over time. As expected, liver function was well preserved. Thus, patient H is representative of many chronically HCV-infected patients with mild, nonprogressive disease.33Afdhal N.H. The natural history of hepatitis C.Semin Liver Dis. 2004; 24: 3-8Crossref PubMed Scopus (250) Google Scholar Serial serum samples from patient H covering 26 years of chronic HCV infection were used for this study. All samples were characterized for their ability to neutralize HCVpp-bearing autologous H77 gps (a sequence cloned at 3 weeks after infection) and heterologous gps of the closely related genotype 1b (Con1, OH8) and the distant 2a (JFH, J6). In keeping with our previous report,17Logvinoff C. Major M. Oldach D. Heyward S. Talal A. Balfe P. Feinstone S. Alter H. Rice C. McKeating J. Neutralizing antibody response during acute and chronic hepatitis C virus infection.Proc Natl Acad Sci U S A. 2004; 101: 10149-10154Crossref PubMed Scopus (357) Google Scholar HCVpp-H77–specific nAbs were observed at seroconversion (8 weeks after infection) (Figure 1A and data not shown). Neutralization of HCVpp-bearing heterologous gps was first detected at 111 weeks after infection, at a time when chronic infection had been established. The appearance of the early strain-specific nAb response was associated with the detection of antibodies specific for H77 E1E2 and the HVR in an EIA assay (Figure 1B). However, high levels of antibodies capable of binding H77-soluble E2 (sE2) or J6 E1E2 were first detected at 111 weeks, coincident with the appearance of cross-reactive nAbs and an increase in the titer of H77-specific nAbs (Figure 1A and B). In contrast to the other steadily increasing anti-gp responses, the Ig response specific for the H77 HVR peaked at 9 weeks after infection and decreased to undetectable levels by 33 weeks (Figure 1B), suggesting a dynamic and rapidly evolving immune response to the viral gps in the early phase of infection. As previously reported by others,34Chen M. Sallberg M. Sonnerborg A. Weiland O. Mattsson L. Jin L. Birkett A. Peterson D. M
0
Citation413
0
Save
0

Hepatitis C virus cell-cell transmission in hepatoma cells in the presence of neutralizing antibodies

Jennifer Timpe et al.Oct 16, 2007
HepatologyVolume 47, Issue 1 p. 17-24 Viral HepatitisFree Access Hepatitis C virus cell-cell transmission in hepatoma cells in the presence of neutralizing antibodies† Jennifer M. Timpe, Jennifer M. Timpe Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, United KingdomSearch for more papers by this authorZania Stamataki, Zania Stamataki Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, United KingdomSearch for more papers by this authorAdam Jennings, Adam Jennings Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, United KingdomSearch for more papers by this authorKe Hu, Ke Hu Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, United KingdomSearch for more papers by this authorMichelle J. Farquhar, Michelle J. Farquhar Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, United KingdomSearch for more papers by this authorHelen J. Harris, Helen J. Harris Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, United KingdomSearch for more papers by this authorAnne Schwarz, Anne Schwarz Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, United KingdomSearch for more papers by this authorIsabelle Desombere, Isabelle Desombere Center for Vaccinology, Ghent University and Hospital, Ghent, BelgiumSearch for more papers by this authorGeert Leroux Roels, Geert Leroux Roels Center for Vaccinology, Ghent University and Hospital, Ghent, BelgiumSearch for more papers by this authorPeter Balfe, Peter Balfe Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, United KingdomSearch for more papers by this authorJane A. McKeating, Corresponding Author Jane A. McKeating [email protected] Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, United Kingdom fax: (44) 121 414 3599Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, B15 2TT, United Kingdom===Search for more papers by this author Jennifer M. Timpe, Jennifer M. Timpe Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, United KingdomSearch for more papers by this authorZania Stamataki, Zania Stamataki Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, United KingdomSearch for more papers by this authorAdam Jennings, Adam Jennings Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, United KingdomSearch for more papers by this authorKe Hu, Ke Hu Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, United KingdomSearch for more papers by this authorMichelle J. Farquhar, Michelle J. Farquhar Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, United KingdomSearch for more papers by this authorHelen J. Harris, Helen J. Harris Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, United KingdomSearch for more papers by this authorAnne Schwarz, Anne Schwarz Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, United KingdomSearch for more papers by this authorIsabelle Desombere, Isabelle Desombere Center for Vaccinology, Ghent University and Hospital, Ghent, BelgiumSearch for more papers by this authorGeert Leroux Roels, Geert Leroux Roels Center for Vaccinology, Ghent University and Hospital, Ghent, BelgiumSearch for more papers by this authorPeter Balfe, Peter Balfe Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, United KingdomSearch for more papers by this authorJane A. McKeating, Corresponding Author Jane A. McKeating [email protected] Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, United Kingdom fax: (44) 121 414 3599Institute for Biomedical Research, University of Birmingham, Birmingham, B15 2TT, United Kingdom===Search for more papers by this author First published: 26 December 2007 https://doi.org/10.1002/hep.21959Citations: 277 † Potential conflict of interest: Nothing to report. AboutSectionsPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Abstract Hepatitis C virus (HCV) infection of Huh-7.5 hepatoma cells results in focal areas of infection where transmission is potentiated by cell-cell contact. To define route(s) of transmission, HCV was allowed to infect hepatoma cells in the presence or absence of antibodies that neutralize cell-free virus infectivity. Neutralizing antibodies (nAbs) reduced cell-free virus infectivity by >95% and had minimal effect(s) on the frequency of infected cells in the culture. To assess whether cell-cell transfer of viral infectivity occurs, HCV-infected cells were cocultured with fluorescently labeled naïve cells in the presence or absence of nAbs. Enumeration by flow cytometry demonstrated cell-cell transfer of infectivity in the presence or absence of nAbs and immunoglobulins from HCV+ patients. The host cell molecule CD81 and the tight junction protein Claudin 1 (CLDN1) are critical factors defining HCV entry. Soluble CD81 and anti-CD81 abrogated cell-free infection of Huh-7.5 and partially inhibited cell-cell transfer of infection. CD81-negative HepG2 hepatoma cells were resistant to cell-free virus infection but became infected after coculturing with JFH-infected cells in the presence of nAb, confirming that CD81-independent routes of cell-cell transmission exist. Further experiments with 293T and 293T-CLDN1 targets suggested that cell-cell transmission is dependent on CLDN1 expression. Conclusion: These data suggest that HCV can transmit in vitro by at least two routes, cell-free virus infection and direct transfer between cells, with the latter offering a novel route for evading nAbs. (HEPATOLOGY 2007.) Hepatitis C virus (HCV) has emerged as the major etiological agent of liver disease. Approximately 170 million individuals are infected worldwide, and the majority are at risk for developing serious progressive liver disease, with HCV being the leading indication for liver transplantation. The HCV single-stranded RNA genome encodes a single polyprotein, which is cleaved by viral and cellular proteases to produce the structural proteins; core E1 and E2 and nonstructural proteins; p7, NS2, NS3, NS4A, NS4B, NS5A, and NS5B. The only approved treatment for HCV infection is interferon-α in combination with ribavirin, which is toxic and only effective in 50% of individuals with genotype I infections. Clearly, there is a need for more effective therapies and for the development of prophylactic and/or therapeutic vaccines. Cellular and humoral responses are generated during acute infection, but they are insufficient to achieve viral clearance in the majority of individuals, with approximately 60%-80% of new infections becoming persistent.1, 2 Neutralizing antibody (nAb) responses often provide the first-line adaptive defense against infection by limiting virus spread. However, little is known about the impact of the humoral immune response on HCV pathobiology. Serum antibodies (Abs) from chronically HCV-infected individuals demonstrate broadly reactive neutralizing properties in vitro and yet fail to control viral infection in vivo.3-5 The reasons for their lack of effect are poorly understood. HCV may escape neutralization by conventional genetic mutation6 or other less direct evasion strategies. Viruses can disseminate within a host by two mechanisms: release of cell-free virions or direct passage between infected and uninfected cells. In general, direct cell-cell transfer is considered more rapid and efficient than cell-free spread because it obviates rate-limiting early steps in the virus life cycle, such as virion attachment.7 Moreover, cell-cell transfer of viral infectivity may allow viruses to evade elements of the immune response, such as nAbs and complement. For viruses such as human T cell leukemia virus type I (HTLV-I), cell-cell infection appears to be the principal mode of dissemination both within and between hosts.8 Recent developments have allowed HCV to be propagated in cell cultures [cell culture–grown hepatitis C virus (HCVcc)],9-11 allowing studies on viral transmission. HCV infection of hepatoma cells results in focal areas of infection that are potentiated by cell-cell contact, and this suggests localized transmission between adjacent cells. The ability of HCV to transmit to naïve target cells when cultured in the presence of an agarose overlay or nAbs suggests that direct cell-cell routes of HCV transmission exist. The host molecule CD81 and the tight junction protein Claudin 1 (CLDN1) are reported to be critical factors defining HCV entry.12, 13 Experiments to address the receptor dependency of cell-cell transmission suggest that CLDN1 is required but that CD81-dependent and independent routes exist. These data support cell-free and cell-cell routes of HCV transmission in vitro and raise questions on the mechanism of HCV spread in vivo and the effectiveness of prophylactic Abs and agents targeting the entry step of the life cycle. Abbreviations Ab, antibody; CFSE, carboxyfluorescein diacetate succinimidyl ester; CLDN1, Claudin 1; CMFDA, 5-chloromethylfluorescein diacetate; DEN3, dengue virus type-3; DMEM, Dulbecco's modified Eagle's medium; FBS, fetal bovine serum; HCV, hepatitis C virus; HCVcc, cell culture–grown hepatitis C virus; HCVpp, hepatitis C virus pseudotype; HTLV-1, human T cell leukemia virus type I; IU, infectious unit; mAb, monoclonal antibody; MFI, mean fluorescence intensity; MLVpp, murine leukemia virus pseudoparticle; nAb, neutralizing antibody; pi., post infection; sCD81, soluble CD81; SEM, standard error of the mean; SI, specific infectivity. Materials and Methods Cells and Reagents. HeLa, HepG2, and 293T cells were obtained from the American Type Culture Collection and propagated in 10% fetal bovine serum (FBS)/Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM). Huh-7.5 cells were provided by Dr. Rice (Rockefeller University)14 and propagated in 10% FBS/DMEM/1% nonessential amino acids. Abs and recombinant proteins were provided as follows: anti-NS5A 9E109 (Dr. Rice, Rockefeller University), anti-core JM122 (Dr. McLauchlan, Medical Research Council (MRC) Institute for Virology), anti-E2 C1 and dengue virus type-3 (DEN3) monoclonal antibodies (mAbs; Dr. Burton, Scripps Research Institute),9 anti-CD81 M38 (Dr. Berditchevski, Birmingham University), and anti-CLDN1 JAY.8 (Zymed) and soluble CD81 (sCD81; Dr. Liu, Massachusetts Institute of Technology).9 Immunoglobulin was purified from two HCV-infected patients (P68 and P70, genotype 1a) and a noninfected individual (NC2) by protein A chromatography (Amersham). HCV Genesis and Infection. Retroviral pseudotypes bearing HCV glycoproteins [hepatitis C virus pseudotype (HCVpp)] were generated by transfection of plasmids encoding human immunodeficiency virus provirus expressing luciferase and E1E2 glycoproteins as previously described.15 HCVcc strains J6/JFH9 and JFH10 were generated by electroporation of transcribed RNA from full-length genomes (Megascript-T7 kit, Ambion) into Huh-7.5 cells as previously described.9 Supernatants collected 72-96 hours post electroporation were stored at −80°C. Huh-7.5 cells were seeded at 0.75 × 104 (low density), 1.5 × 104 (standard density), or 3 × 104 (high density) cells/cm2. After 24 hours, cells were infected for 1 hour with J6/JFH or JFH diluted in 3% FBS/DMEM at a multiplicity of infection of 0.01. Unbound virus was removed, and fresh 3% FBS/DMEM ± 1.5% Seaplaque agarose was added.16 Infection was detected by staining for NS5A as previously described.9 To monitor viral transmission in the presence of nAbs, anti-E2 C1 mAb was added at a concentration (10 μg/mL) able to neutralize >90% infectivity, and media were replenished with 3% FBS/DMEM containing Ab every 24 hours.9 To quantify the infectivity of cell-free virus, extracellular media were collected and allowed to infect naïve Huh-7.5 cells. Infection was quantified by the enumeration of NS5A+ cells 48 hours post infection (pi.) and was defined as the number of infected cells or infectious units per milliliter (IU/mL). Proliferation Assay. Cells were labeled with 5 mM carboxyfluorescein diacetate succinimidyl ester (CFSE; CellTrace, Invitrogen) and seeded at the densities listed previously. Labeled cells were infected with J6/JFH or JFH and 24, 48, or 72 hours pi. were collected by trypsinization and stained for NS5A, and the doubling time for infected and noninfected cells was determined by flow cytometry. Infectious Center Assay. Huh-7.5 cells were infected with J6/JFH or JFH at a multiplicity of infection of 0.01 and 96 hours pi. (producer cells) were mixed with naïve target cells labeled with 5μM 5-chloromethylfluorescein diacetate (CMFDA; CellTracker, Invitrogen). Producers were incubated for 15 minutes at 37°C with Abs and seeded with targets at a defined ratio (see the legends) at high density. nAbs were added at a minimum concentration 10 times greater than the defined concentration that inhibited 90% of infection (C1 and DEN3 at 10 μg/mL; NC2, P68, and P70 at 100 μg/mL). After 24 hours, extracellular media were collected and quantified for infectious virus as detailed previously. The cells were permeabilized with 1% paraformaldehyde/0.1% saponin, stained for NS5A, and analyzed by flow cytometry or indirect immunofluorescence. Results Routes of HCV Transmission. HCV infection of the human hepatoma Huh-7.5 cell line results in focal areas of infected cells expressing virally encoded structural (core) and nonstructural (NS5A) proteins (Fig. 1), which suggest localized viral transmission. A high degree of variability in the size of infected foci was noted, ranging from 1 to >200 infected cells. Because increased contact between target cells may potentiate viral transmission, we examined the relationship between cell seeding density and focal size. Infected cells were visualized by expression of NS5A, and foci were partitioned into three groups on the basis of size: fewer than 10, 10-50, and more than 50 infected cells. The proportion of large foci increased with cell seeding density for both JFH and J6/JFH, and this suggests that a high cell density facilitates viral transmission to neighboring cells. All subsequent assays to monitor virus transmission were conducted at a high cell seeding density. Figure 1Open in figure viewerPowerPoint Formation of HCV foci: effects of cell density and agarose overlay. Huh-7.5 cells were plated at low (gray), standard (white), or high (black) seeding densities and infected with JFH in the presence or absence of a 1.5% agarose overlay. At 72 hours pi., infected foci were visualized by the detection of (A) core or (B,C) NS5A in cultures maintained in media alone or (D) agarose overlay. The scale bar is 100 μm. The number of infected cells within a focus were enumerated and classified into 3 groups: fewer than 10, 10-50, and more than 50 cells per focus. Fifty foci were counted at each seeding density. The percentage of the size of foci at different cell seeding densities in (E) the absence of agarose and (F) the presence of agarose is shown. Cell density (P < 0.0085, χ2 correction for multiple testing) and agarose significantly increase the JFH focal size (P < 0.001, χ2). To assess the role of cell division in viral transmission, we quantified the proliferation time of naïve and JFH-infected Huh-7.5 by labeling cells with CFSE and measuring proliferation over 72 hours. Under high-density culture conditions, the mean doubling time for uninfected cells was 32 hours versus 34 hours for infected cells. It is therefore unlikely that the large foci observed after 72 hours could derive simply from the division of infected cells. To address whether the development of foci requires cell-free virus infection of naïve cells, JFH-infected cells were cultured in a semisolid medium containing agarose, which limits the diffusion of virus particles. Inclusion of an agarose overlay did not abrogate viral transmission but resulted in compact foci reminiscent of plaques (Fig. 1D). In contrast, infection of cells cultured in media alone resulted in the development of medium to large foci surrounded by smaller foci, or satellites (Fig. 1C). Inclusion of an agarose overlay increased the proportion of large foci at a high cell density from 26% to 70% for JFH, with a concomitant decrease in small foci (<10; Fig. 1F). Parallel assays studying J6/JFH-infected cells gave comparable results (not shown). Thus, inclusion of an agarose overlay to restrict cell-free virus transmission promotes localized viral spread at high cell density, resulting in a greater proportion of large foci. The agarose overlay method has been used by virologists for many years. However, it is difficult to assess its effectiveness in limiting cell-free virus spread. In contrast, inclusion of Abs in the extracellular media to inhibit viral infectivity can be readily quantified. To monitor the level of infectious virus released from JFH-infected cells, the number of infected cells and the infectivity of cell-free virus were quantified over a 72-hour period. Infectious virus was readily detected between 48 and 72 hours pi. However, the level of infectious virus released per infected cell was low (approximately 1.0 IU per 5 infected cells; Fig. 2B). JFH transmission in the presence or absence of extracellular nAbs was assessed by the determination of the frequency of infected cells and the infectivity of cell-free virus at 72 hours pi. A concentration of anti-E2 (C1, 10 μg/mL) capable of neutralizing JFH infectivity (Supplementary Fig. 1) or a control anti-dengue (DEN3) mAb was added to the infected cultures at 8 hours pi. and replenished every 24 hours to maintain bioactivity. C1 neutralized extracellular virus infectivity by 95% in comparison with untreated or DEN3-treated cells (Fig. 2C), yet the relative frequency of infected cells in the C1-treated culture was 43% versus 99% in the presence of DEN3 (Fig. 2D). Infected foci in the presence of nAbs exhibited fewer satellite colonies than untreated cultures, and this is consistent with the effect(s) of agarose. In summary, these results show that HCV can transmit to naïve target cells in the presence of an agarose overlay or nAb, suggesting that cell-cell routes of HCV transmission exist. Figure 2Open in figure viewerPowerPoint HCV JFH transmission occurs in the presence of an nAb. Huh-7.5 cells were seeded at high density and infected for 1 hour at 37°C, and unbound virus was removed. (A) Cells were fixed at 24, 48, and 72 hours pi., and NS5A+ cells were quantified. (B) The infectivity of cell-free virus is expressed as the number of NS5A-positive cells or infected units per milliliter. (C) The infectivity of cell-free JFH released from control Ab DEN3–treated (white) or nAb C1–treated (black) cultures is expressed as a percentage of the untreated culture (gray). (D) The relative number of JFH-infected cells at 72 hours pi. in DEN3-treated (white) or C1-treated (black) cultures is expressed as a percentage of the untreated culture (gray). Infectivity for Ab-treated cells is expressed with respect to untreated cells. Error bars represent the standard error of the mean of 4 replicates and reflect the results from 4 independent experiments. Cell-Cell HCV Transmission. To study cell-cell transmission of infectivity, we developed an assay where HCV-infected (producer) cells are cultured with fluorescently labeled naïve (target) cells in the presence of Abs that neutralize the infectivity of cell-free virus. Labeling the target cells allows one to discriminate between infection of naïve cells and division of infected producers. JFH-infected cells were seeded at high density in the presence or absence of nAbs for 15 minutes prior to the addition of labeled targets. Twenty-four hours later, the cells were assayed for NS5A expression by indirect immunofluorescence, and extracellular media were quantified for infectivity. Cell-free infectivity was reduced by >95% in the presence of Abs. Figure 3 depicts the green-labeled target cells and infected NS5A+ producers indirectly labeled red. Viral transmission from a producer to a target cell results in a CMFDA-labeled green cell expressing NS5A and costaining orange. HCV transmits to target cells in the presence of C1 or purified Abs from two HCV-infected patients (P68 and P70) in a comparable fashion to untreated or control Ab–treated cultures (Fig. 3). Thus, a >95% reduction in the infectivity of cell-free virus has minimal effect(s) on the localized spread of HCV infection. Figure 3Open in figure viewerPowerPoint HCV JFH transmits cell to cell. JFH-infected Huh-7.5 producers were incubated for 15 minutes with (A) DMEM, (B) DMEM plus 10 μg/mL DEN3, (C) DMEM plus 10 μg/mL C1, or (D) DMEM plus 100 μg/mL P70. The producers were cultured with naïve CMFDA-labeled Huh-7.5 targets (green). After 24 hours, infected cells were detected by staining for NS5A (Alexa 594, red). Newly infected target cells, positive for both NS5A and CMFDA, appear orange. The scale bar is 50 μm. The infectivity of cell-free virus in the presence of C1 or P70 was reduced by >95% in comparison with DEN3 or untreated cultures. To obtain a quantitative analysis of viral transmission in the presence of nAbs, cocultured cells were stained for NS5A and analyzed by flow cytometry. The upper left quadrant shows the frequency of infected producers (red), the upper right shows the frequency of virus-infected naïve targets (orange), and the lower right shows the frequency of uninfected targets (green). JFH-infected targets were detected at frequencies between 27% and 31% of untreated or DEN3/NC2 control Ab–treated cultures (Fig. 4A). In the presence of C1, P68, or p70 nAbs (Fig. 4B), the frequency of infected target cells ranged from 18% to 24%. The mean frequency of JFH-infected targets from three independent experiments is annotated above each plot. In all cases, the nAbs (C1, P68, and P70) reduced infectivity of cell-free virus by >95% (Fig. 4B) with minimal effect(s) on cell-cell transfer of viral infectivity. Increasing the concentration of C1 in the extracellular media had no additional effect on the efficiency of viral transfer (Supplementary Fig. 2). To ascertain that cell-cell transmitted virus was not a variant resistant to the nAbs under testing, infected cells were collected, and intracellular virus was released by three rounds of rapid freezing and thawing and tested for infectivity in the presence and absence of the selecting Ab. In all cases, the intracellular virus remained sensitive to the neutralizing effects of the Abs (Fig. 4C), and this indicated that viral spread was not mediated by Ab-resistant variants. In summary, these data suggest that direct cell-cell transfer is an efficient route for HCV transmission between cells cultured at high density. Figure 4Open in figure viewerPowerPoint Quantitation of HCV cell-cell transmission. (A) JFH-infected Huh-7.5 producers were cocultured with CMFDA-labeled targets at a ratio of 1:4 in the presence of the listed Abs. After 24 hours, the cells were fixed, stained for NS5A (R-phycoerythrin) and infected cells quantified by flow cytometry. In each panel, the lower quadrants contain uninfected cells; the upper left represents infected producers, and the upper right represents newly infected targets. The mean number of infected targets [± standard error of the mean (SEM)] from three independent experiments is shown above each panel. (B) The infectivity of cell-free JFH released from Ab-treated cultures is expressed as a percentage of the untreated culture. The mean infection of triplicate wells (±SEM) with respect to the untreated control is shown. (C) To confirm that JFH in the infected cultures was sensitive to nAbs, cell lysates were generated by three freeze/thaw cycles and used to inoculate Huh-7.5 cells in the presence (gray) or absence (white) of the appropriate nAb. The infectivity of three replicates (±SEM) was measured and expressed with respect to untreated cells. Receptor Dependency of HCV Cell-Cell Transmission. To ascertain the role of CD81 in cell-free and cell-cell infection, we evaluated the ability of an anti-CD81 mAb, M38 or sCD81, to inhibit HCV infection via these two routes. M38 and sCD81 inhibited >90% of cell-free infection of Huh-7.5 and reduced cell-cell transmission by 43% and 15%, respectively (Fig. 5A,B). We investigated whether the CD81-negative hepatoma cell line HepG2 could be infected via cell-free or cell-cell infection routes. HepG2 cells failed to support cell-free HCVcc infection (Fig. 5D). However, coculturing of JFH-infected producers with labeled HepG2 for 48 hours resulted in 5.5% of HepG2 becoming infected versus 0.3% for the nonpermissive Hela cell line (Fig. 5E). These data confirm that CD81-independent routes of cell-cell transmission exist. Figure 5Open in figure viewerPowerPoint The role of CD81 in HCV cell-cell transmission. Anti-CD81 M38 (10 μg/mL) and sCD81 (10 μg/mL) inhibition of (A) cell-free JFH infection, where infectivity is expressed as the number of NS5A-positive cells or infected units per milliliter, and (B) cell-cell JFH infection, where producer and targets were mixed in a 1:4 ratio for 24 hours. The mean number of infected Huh-7.5 targets [± standard error of the mean (SEM)] in the presence of p70, plus or minus M38 and sCD81, is shown and is representative of 3 independent experiments. (C) CD81 cell surface expression was monitored by flow cytometry, and the data are expressed as the mean fluorescence intensity (MFI). (D) JFH cell-free infection of targets. Infectivity is shown with respect to Huh-7.5, where the error bars represent the SEM of three replicates. (E) JFH cell-cell infection: producer and Huh-7.5, HepG2, and HeLa target cells were mixed in a 1:4 ratio for 48 hours in the presence of p70. The mean number of infected targets (±SEM) is shown and is representative of 3 independent experiments. To assess the role of CLDN1 in cell-cell transmission, we studied cell-free and cell-cell infection of the human embryonal 293T kidney cell line before (CD81+/CLDN1−) and after transduction (CD81+/CLDN1+) to express CLDN1. CLDN1 expression levels were confirmed by flow cytometry and receptor activity by HCVpp and HCVcc infection (Fig. 6A -C). Expression of CLDN1 in 293T cells increased cell-cell transmission 5-fold in comparison with 293T, which gave background levels of infection comparable to that seen with Hela cells (Fig. 6D). In contrast, 293T-CLDN1 cells were poor targets for JFH cell-free virus infection (Fig. 6C). In summary, these data support a model in which cell-cell transmission is dependent on CLDN1 expression and CD81-dependent and independent routes exist. Figure 6Open in figure viewerPowerPoint The role of CLDN1 in HCV cell-cell transmission. (A) Target cell expression of CLDN1 was monitored by flow cytometry, and data are expressed as the mean fluorescence intensity (MFI). (B) HCVpp and murine leukemia virus pseudoparticle (MLVpp) infection of targets. Pseudoparticles encode a luciferase reporter, and data are presented as the specific infectivity (SI), where the HCVpp (gray) or MLVpp (white) signal with respect to a pseudoparticle lacking envelope is determined from three replicate infections [± standard error of the mean (SEM)]. (C) JFH cell-free infection of targets. Infectivity is shown with respect to Huh-7.5, and the error bars represent the SEM of three replicates. (D) JFH cell-cell infection: producer and 293T, 293T-CLDN1, and HeLa target cells were mixed in a 1:1 ratio for 48 hours in the presence of p70. The mean number of infected targets (±SEM) is shown and is representative of 3 independent experiments. Discussion In this study, we demonstrate that HCV can transmit to naïve cells in the presence of agarose or Abs that limit or neutralize cell-free virus infectivity. Intracellular sources of virus remain sensitive to the neutralizing activity of Abs, and this confirms that the transmitting viruses are not resistant to the nAbs used. The frequency of infected naïve target cells in the infectious center assay was minimally affected by the inhibition of extracellular routes of virus transmission. These data suggest that HCV can transmit by at least two routes in vitro: cell-free virus infection of naïve targets and direct transfer between cells. The latter route offers a mechanism to evade nAbs that may partially explain the ineffectiveness of Abs in controlling HCV replication during the chronic phase of disease3-5 in addition to more conventional genetic escape mechanisms.6 If such routes of transmission occur in vivo, one may question whether therapeutic vaccination to elicit nAbs17 or immunoprophylaxis will control persistent HCV replication. To address the receptor dependency of HCV transmission between infected and naïve cells, we used cell lines lacking CD81 or CLDN1 expression as targets for cell-free and cell-cell transfer of infection. CD81-negative HepG2 cells failed to support cell-free HCVcc infection but were infected after coculturing with JFH-infected producers (Fig. 5). This observation, alongside the partial inhibition of JFH cell-cell transmission by sCD81 and anti-CD81 to Huh-7.5 targets, suggests that CD81-dependent and CD81-independent routes of cell-cell transmission occur. The recent discovery that the tight junction protein CLDN1 is an essential factor allowing
0
Citation364
0
Save
0

Neutralizing Antibody-Resistant Hepatitis C Virus Cell-to-Cell Transmission

Claire Brimacombe et al.Oct 21, 2010
ABSTRACT Hepatitis C virus (HCV) can initiate infection by cell-free particle and cell-cell contact-dependent transmission. In this study we use a novel infectious coculture system to examine these alternative modes of infection. Cell-to-cell transmission is relatively resistant to anti-HCV glycoprotein monoclonal antibodies and polyclonal immunoglobulin isolated from infected individuals, providing an effective strategy for escaping host humoral immune responses. Chimeric viruses expressing the structural proteins representing the seven major HCV genotypes demonstrate neutralizing antibody-resistant cell-to-cell transmission. HCV entry is a multistep process involving numerous receptors. In this study we demonstrate that, in contrast to earlier reports, CD81 and the tight-junction components claudin-1 and occludin are all essential for both cell-free and cell-to-cell viral transmission. However, scavenger receptor BI (SR-BI) has a more prominent role in cell-to-cell transmission of the virus, with SR-BI-specific antibodies and small-molecule inhibitors showing preferential inhibition of this infection route. These observations highlight the importance of targeting host cell receptors, in particular SR-BI, to control viral infection and spread in the liver.
0
Citation242
0
Save
1

Hypoxia inducible factors regulate infectious SARS-CoV-2, epithelial damage and respiratory symptoms in a hamster COVID-19 model

Peter Wing et al.Mar 15, 2022
ABSTRACT Understanding the host pathways that define susceptibility to SARS-CoV-2 infection and disease are essential for the design of new therapies. Oxygen levels in the microenvironment define the transcriptional landscape, however the influence of hypoxia on virus replication and disease in animal models is not well understood. In this study, we identify a role for the hypoxic inducible factor (HIF) signalling axis to inhibit SARS-CoV-2 infection, epithelial damage and respiratory symptoms in Syrian hamsters. Pharmacological activation of HIF with the prolyl-hydroxylase inhibitor FG-4592 significantly reduced the levels of infectious virus in the upper and lower respiratory tract. Nasal and lung epithelia showed a reduction in SARS-CoV-2 RNA and nucleocapsid expression in treated animals. Transcriptomic and pathological analysis showed reduced epithelial damage and increased expression of ciliated cells. Our study provides new insights on the intrinsic antiviral properties of the HIF signalling pathway in SARS-CoV-2 replication that may be applicable to other respiratory pathogens and identifies new therapeutic opportunities.
1
Citation4
0
Save
13

The CCCTC-binding factor CTCF represses hepatitis B virus Enhancer I and regulates viral transcription

Valentina D’Arienzo et al.May 9, 2020
ABSTRACT Hepatitis B virus (HBV) infection is of global importance with over 2 billion people exposed to the virus during their lifetime and at risk of progressive liver disease, cirrhosis and hepatocellular carcinoma. HBV is a member of the hepadnaviridae family that replicates via episomal copies of a covalently closed circular DNA (cccDNA) genome. The chromatinization of this small viral genome, with overlapping open reading frames and regulatory elements, suggests an important role for epigenetic pathways to regulate viral transcription. The chromatin-organising transcriptional insulator protein CCCTC-binding factor (CTCF) has been reported to regulate transcription in a diverse range of viruses. We identified two conserved CTCF binding sites in the HBV genome within Enhancer I and chromatin immunoprecipitation (ChIP) analysis demonstrated an enrichment of CTCF binding to integrated or episomal copies of the viral genome. siRNA knockdown of CTCF results in a significant increase in pre-genomic RNA levels in de novo infected HepG2 cells and those supporting episomal HBV DNA replication. Furthermore, mutation of these sites in HBV DNA minicircles abrogated CTCF binding and increased pre-genomic RNA levels, providing evidence of a direct role for CTCF in repressing HBV transcription. IMPORTANCE Hepatitis B virus (HBV) is a global cause of liver disease. At least 300 million individuals are chronically infected with HBV, frequently leading to life-threatening liver cirrhosis and cancer. Following viral entry, HBV DNA enters the nucleus and is bound by histones that are subject to epigenetic modification. The HBV genome contains two enhancer elements that stimulate viral transcription but the interplay between the viral enhancers and promoters is not fully understood. We have identified the host cell protein CCCTC binding factor (CTCF) as a repressor of HBV gene expression. CTCF binds to the HBV genome within Enhancer I and represses transcription of pre-genomic RNA. These findings provide new insights into how HBV transcription is regulated and show a new role for CTCF as a transcriptional insulator by associating with the viral genome between Enhancer I and the downstream basal core promoter.
13
Citation2
0
Save
0

The N6-methyladenosine demethylase ALKBH5 regulates the hypoxic HBV transcriptome.

Senko Tsukuda et al.Jan 1, 2023
Chronic hepatitis B is a global health problem and current treatments only suppress hepatitis B virus (HBV) infection, highlighting the need for new curative treatments. Oxygen levels influence HBV replication and we previously reported that hypoxia inducible factors (HIFs) activate the basal core promoter to transcribe pre-genomic RNA. Application of a probe-enriched long-read sequencing method to map the HBV transcriptome showed an increased abundance of all viral RNAs under low oxygen or hypoxic conditions. Importantly, the hypoxic-associated increase in HBV transcripts was dependent on N6-methyladenosine (m6A) modifications and an m6A DRACH motif in the 59 stem loop of pre-genomic RNA defined transcript half-life under hypoxic conditions. Given the essential role of m6A modifications in the viral transcriptome we assessed the oxygen-dependent expression of RNA demethylases and bio-informatic analysis of published single cell RNA-seq of murine liver showed an increased expression of the RNA demethylase ALKBH5 in the peri-central low oxygen region. In vitro studies with a human hepatocyte derived HepG2 cell line showed increased ALKBH5 gene expression under hypoxic conditions. Silencing the demethylase reduced the levels of HBV pre-genomic RNA and host gene (CA9, NDRG1, VEGFA, BNIP3, FUT11, GAP and P4HA1) transcripts and this was mediated via reduced HIFα expression. In summary, our study highlights a previously unrecognized role for ALKBH5 in orchestrating viral and cellular transcriptional responses to low oxygen.
Load More