The virus-receptor interaction in the pathogenesis of feline immunodeficiency virus infection

Abstract

Feline immunodeficiency virus (FIV) is a wide-spread pathogen of the domestic cat. In the course of FIV infection animals may develop clinical signs similar to that of human immunodeficiency virus (HIV) infected patients with acquired immunodeficiency syndrome (AIDS). FIV enters its host cells, mainly CD4+ T helper cells, via an interaction of its envelope glycoprotein (Env) with the main receptor CD134 and the co-receptor CXCR4. The mode of interaction with these receptors differs between viral strains and by analogy to HIV, has been proposed to evolve in the course of infection. However, little is known about how FIV evolves during infection and why some cats develop immunodeficiency while others remain free of symptoms. In this study we analysed the in vivo evolution of FIV following experimental infection of cats with a molecular clone of the FIV strain GL8 (FIV-GL8) for a period of either 12 weeks or 322 weeks. We identified viral variants within the viral population of long-term infected cats that displayed amino acid mutations throughout the whole Env protein including mutations at residues previously described as determinants of receptor usage and resistance to neutralisation. Additional phylogenetic analyses of tissue-derived FIV env sequences yielded evidence for the compartmentalisation of FIV in the thymus and tonsil. Our sequence analyses also indicated that FIV might be subjected to effects of the retroviral restriction factor APOBEC3 in vivo. We characterised the biological properties of diverse Env variants derived from one long-term infected animal. We discovered variants that mirrored parental virus FIV-GL8 in its requirement for a complex interaction with CD134. More importantly, we also identified variants, which displayed a simple interaction with CD134, which is characteristic for isolates from late stage infection. Further, we noted a range of sensitivities to inhibitors of viral entry and neutralising antibody. We show that this in vivo evolution was partly driven by escape from humoral immune response and identified the V5 loop of FIV-GL8 Env as the major determinant of neutralisation. Subsequently, we conducted an in vivo study to investigate whether viral diversity would be maintained following transmission. We compared the replication kinetics during infection with either a clonal preparation of FIV-GL8 (Group 1) or an artificial quasispecies comprising six viral variants (Group 2). Both Group 1 and Group 2 animals displayed similar CD4:CD8 ratios and proviral loads. However, we detected marked differences in the proviral loads of single viral variants utilised in Group 2. Isolates closely related to FIV-GL8 achieved higher proviral loads, while two more distantly related late stage variants failed to thrive following transmission. This block in replication was associated with the modified receptor interactions of these variants rather than humoral and cellular immune responses. Our findings suggest that viral isolates with FIV- GL8-like characteristics possess an early replicate advantage and thus should be focussed on for future vaccine design.

Das Feline Immundefizienz-Virus (FIV) ist ein weltweit verbreitetes Pathogen der Katze. FIV führt im Krankheitsverlauf bei infizierten Tieren zu Symptomen ähnlich dem Aquired Immune Deficiency Syndrome (AIDS) beim Menschen. FIV infiziert Wirtszellen über eine Interaktion der viralen Hüllproteine (Env) mit dem Hauptrezeptor CD134 und dem Korezeptor CXCR4. Hierbei bestehen virusstammspezifische Unterschiede in der Art der Rezeptorbindung. Die zu diesen Abweichungen in der Env-Rezeptorinteraktion führenden evolutionären Prozesse sind bisher wenig erforscht. In der vorliegenden Studie wurde die in vivo Evolution des FIV env Gens untersucht. Hierzu wurden zwei Versuchstiergruppen für 12 bzw. 322 Wochen mit einem Molekularklon des FIV- Stammes Glasgow 8 (FIV-GL8) infiziert. Im Anschluss isolierte Virusvarianten wiesen Env-Mutationen auf, welche in früheren Studien mit der Rezeptorbindung bzw. Resistenz gegenüber neutralisierenden Antikörpern (NAbs) in Zusammenhang gebracht wurden. Zusätzlich offenbarte die phylogenetische Untersuchung des env Gens in Gewebeproben Anzeichen einer isolierten FIV-Entwicklung in Thymus und Tonsillen und deutete auf eine Einwirkung des Restriktionsfaktors APOBEC3 hin. Im nächsten Schritt wurden env Gene von Viren einer dieser langzeitinfizierten Katzen kloniert und phänotypisch charakterisiert. Dabei interagierten einige Isolate, ähnlich wie das Ausgangsvirus FIV-GL8, mit dem Hauptrezeptor CD134 über zwei Bindungsdomänen. Andere Virusvarianten hingegen zeigten charakteristische Eigenschaften von Viren aus späteren Stadien der Infektion und infizierten Wirtzellen durch die Interaktion mit einer einzelnen CD134-Bindungsdomäne. Weiterhin zeigten die Virusisolate ein breites Spektrum an Sensitivitäten gegenüber NAbs und Inhibitoren der Rezeptorbindung. Die hierfür verantwortlichen Mutationen wurden, zumindest teilweise, durch eine gegen den V5 Loop des Env-Proteins gerichtete humorale Immunreaktion induziert. Im Anschluss wurde untersucht, in welchem Ausmaß virale Diversität nach der Transmission auf ein gesundes Tier weiterbesteht. Hierzu wurden zwei Versuchstiergruppen entweder mit klonalem FIV-GL8 (Gruppe 1) oder einer Mischung aus sechs Virusisolaten der Phänotypstudie infiziert (Gruppe 2). In beiden Gruppen zeigte sich der für FIV-Infektionen typische Abfall der CD4:CD8-Ratio und eine ähnlich hohe Proviruslast, jedoch waren Unterschiede im Replikationsverhalten einzelner Virusvarianten in Gruppe 2 auffällig. Mit dem Ausgangsvirus nah verwandte Isolate replizierten ähnlich gut wie FIV-GL8. Dagegen waren zwei, dem Spätstadiumtypus zuzuordnende Varianten nur in geringen Mengen nachweisbar. Die Ursache hierfür lag scheinbar in Unterschieden in der Rezeptorbindung, da keine NABs nachweisbar und die zellulären Immunreaktionen zwar ausgeprägt, aber nicht isolatspezifisch waren. Der in dieser Studie beschriebene Replikationsvorteil FIV-GL8-artiger Viren während der frühen Infektionsphase, tritt vermutlich auch in natürlichen Infektionen auf. Daher sollten diese Viren bei der Entwicklung zukünftiger FIV-Impfstoffe stärker berücksichtigt werden.