Host factors modulating HIV-1 infectivity and restriction

Abstract

Retroviruses are obligate cellular parasites that depend on host cell factors for their replication. In particular, one such cellular factor, Cyclophilin A (CypA), promotes replication of Human Immunodeficiency Virus Type 1 (HIV-1) in human cells. CypA belongs to the family of peptidyl-prolyl isomerases and binds to an exposed proline-rich loop in the HIV-1 capsid protein (CA), as demonstrated by in vitro binding experiments. Although CypA has been conclusively demonstrated to facilitate HIV-1 spread in tissue culture, its role in HIV-1 replication remains unknown. Though CypA binds to mature HIV-1 CA, it is also incorporated into nascent HIV-1 virions via interactions with the CA domain of the Gag polyprotein. These findings raised the possibility that CypA might act at multiple steps of the retroviral life cycle. Disruption of the CypA incorporation into HIV-1 virions suggested that producer cell CypA was required for full virion infectivity. However, recent studies indicate that CypA within the target cell regulates HIV-1 infectivity by modulating retroviral restriction. In this study, we exploit multiple tools that disrupt the HIV-1 CA-CypA interaction to examine the relative contribution of producer cell CypA and target cell CypA to HIV-1 replication. Our results clearly demonstrate that target cell CypA, and not producer cell CypA, is important for HIV-1 CA-mediated function. Inhibition of HIV-1 infectivity resulting from virion production in the presence of CsA occurs independently of the CA-CypA interaction or even of CypA. A recent discovery identified TRIM5alpha as the factor mediating retroviral restriction in cells from mammalian species. While in non-human primates, TRIM5alpha potently blocks HIV-1, the human TRIM5alpha orthologue specifically targets N-tropic Murine Leukemia Virus (N-MLV). Paradoxically, in cells from African green monkeys and rhesus macaques, CypA is required for TRIM5alpha-mediated restriction of HIV-1. These observations suggest that human TRIM5alpha also restricts HIV-1, but only when the association of CypA and HIV-1 CA is disrupted - in other words, HIV-1 recognition by the human TRIM5alpha is precluded by CypA. In this study, effects of CypA and TRIM5alpha on HIV-1 restriction were examined directly. RNA interference (RNAi) was used to show that endogenous human TRIM5alpha does indeed restrict HIV-1, but the magnitude of this antiviral activity is not altered by disruption of the CA-CypA interaction or by elimination of CypA protein. Conversely, the stimulatory effect of CypA on HIV-1 infectivity was completely independent of human TRIM5alpha. These data suggest that TRIM5alpha and CypA independently regulate HIV-1 infectivity, and that in human cells CypA protects HIV-1 from an antiviral activity other then TRIM5alpha. In addition, cross-saturation experiments suggest that both restrictions utilize a common saturable target that is epistatic to both TRIM5alpha and the putative CypA-regulated restriction factor.

Wirtsfaktoren, die die Infektivitaet und Restriktion von HIV-1 regulieren Retroviren sind obligate zellulaere Parasiten, deren Reproduktion von Wirtszellfaktoren abhängt. Einer von diesen Zellfaktoren, Cyclophilin A (CypA), foerdert Replikation des humanen Immundefizienz Virus Typ 1 (HIV-1) in menschlichen Zellen. CypA gehört zu der Familie der Peptidyl-Prolyl- Isomerasen, und in-vitro Bindungsversuche zeigten, dass es an eine hervorstehende prolinreiche Schleife im HIV-1 Capsid Protein (CA) bindet. Obwohl es deutlich demonstriert worden ist, dass CypA Replikation von HIV-1 in der Zellkultur beguenstigt, bleibt die Rolle, die es fuer die Infektivitaet von HIV-1 spielt, unbekannt. Obwohl CypA an das reife HIV-1 CA bindet, wird es auch durch Interaktionen mit der CA-Region des Gag-Polyproteins in die naszierenden HIV-1 Virionen inkorporiert. Diese Entdeckungen werfen die Möglichkeit auf, dass CypA an mehreren Schritten des retroviralen Lebenszyklus beteiligt sein konnte. Hinderung der CypA-Inkorporation in die HIV-1 Virionen deutete darauf hin, daß das Produzentzell-CypA für volle Infektivitaet der Virionen erforderlich sei. Neue Studien zeigen jedoch, dass das Zielzell-CypA die Infektivitaet von HIV-1 durch Modulieren der retroviralen Restriktion reguliert. In dieser Studie nutzen wir mehrere technische Werkzeuge, die die Interaktion zwischen HIV-1 CA und CypA hindern, um den relativen Beitrag des Produzentzell-CypA und des Zielzell-CypA zur HIV-1 Replikation zu erforschen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass nur das Zielzell-CypA, und nicht das Produzentzell-CypA, für HIV-1 CA-abhaengige Funktion erforderlich ist. Hemmung der HIV-1-Infektivitaet, die durch Anwesenheit von CsA waehrend der Virenproduktion zustande kommt, ist unabhängig von der CA-CypA Interaktion und sogar unabhaengig von CypA. Ein kuerlziche Entdeckung identifizierte TRIM5alpha als den fuer die retrovirale Restriktion in Saeugetierzellen verantwortlichen Faktor. Während TRIM5alpha der nicht-menschlichen Primaten Infektion von HIV-1 unterbindet, blockiert das humane TRIM5alpha Orthologe spezifisch den N-tropischen Mauseleukämie-Virus (N-MLV). Paradoxerweise ist CypA für die TRIM5alpha-vermittelte Restriktion von HIV-1 in Zellen der gruenen Meerkatzen und der Rhesusaffen erforderlich. Diese Beobachtungen werfen eine Vermutung auf, dass HIV-1 CA auch durch das humane TRIM5alpha erkannt wird, jedoch nur wenn dessen CA nicht an CypA gebunden ist mit anderen Worten, HIV-1 CA wird durch CypA von dem humanen TRIM5alpha geschuetzt. In dieser Studie wurde CypA- und TRIM5alpha-Beitrag HIV-1 zur Restriction direkt erforscht. Durch Verwendung von RNA-interference (RNAi) haben wir gezeigt, dass das endogene humane TRIM5 tatsaechlich die Infektion durch HIV-1 hindert, allerdings wird der Ausmass dieser antiviralen Aktivitaet weder durch Unterbrechung der CA-CypA Interaktion noch durch die Beseitigung des CypA Proteins verändert. Der infektivitaetsstimulierende Effekt von CypA ist von der Aktivitaet des humanen TRIM5alpha voellig unabhängig. Diese Ergebnisse zeigen, daß TRIM5alpha und CypA die Infektivitaet von HIV-1 unabhängig voneinander regulieren, und das CypA in den humanen Zellen HIV-1 vor einer anderen antiviralen Aktivitaet schützt. Zusätzlich schlagen Kreuzsättigungsexperimente vor, daß beide Restriktionen ein gemeinsames saettigungsfahiges Ziel verwenden, welches TRIM5alpha und dem mutmaßlichen CypA-regulierten Restriktionsfaktor epistatisch ist.