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The origins of defective proviruses in HIV-1 infected cells

English title The origins of defective proviruses in HIV-1 infected cells
Applicant Metzner Karin
Number 204404
Funding scheme Project funding
Research institution Klinik für Infektionskrankheiten und Spitalhygiene Universitätsspital Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Experimental Microbiology
Start/End 01.10.2021 - 30.09.2025
Approved amount 644'018.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Experimental Microbiology
Cellular Biology, Cytology
Molecular Biology

Keywords (6)

HIV-1; LTR; DNA repair; integration; provirus; large internal deletions

Lay Summary (German)

Lead
Eine HIV Infektion ist gut therapierbar, aber sie ist nicht heilbar, da sich HIV in Zellen verstecken und bei Therapieunterbrechung erneut vermehren kann. Den meisten versteckten Viren allerdings fehlen grosse Teile ihres Genoms und sie können sich nicht vermehren. Wir spekulieren, dass zelluläre Faktoren hier eine antivirale Abwehrfunktion übernehmen und Viren so eliminieren können.
Lay summary

Titel: Die Entstehung defekter Proviren in HIV-1-infizierten Zellen

Inhalt und Ziele des Forschungsprojekts

Wir möchten zelluläre Faktoren identifizieren, die an der Bildung großer Genomdefekte beteiligt sind, wie sie in Proviren vorkommen, die im Genom der Wirtszelle integriert sind. Wir werden CRISPR/Cas9-Screenings zur Identifikation anwenden und mögliche Mechanismen der Bildung großer Genomdefekte in Proviren untersuchen. Ausserdem werden wir testen, ob auch andere Retroviren auf diesem Weg eliminiert werden können. Schließlich wollen wir mögliche Strategien von HIV-1 untersuchen, derartige antivirale Abwehrfunktionen zu umgehen.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Ein gründliches Verständnis der Abwehrmechanismen des Wirtes und der Pathogenese von HIV-1 ist unerlässlich, um den Kampf gegen HIV-1 zu gewinnen. Diese Studie wird unser Wissen darüber erweitern, wie sich Zellen gegen Retroviren schützen. Die Identifizierung zellulärer Faktoren, die an der Bildung großer Genomdefekte in Proviren beteiligt sind, könnte zur Entdeckung eines neuen Wirtsabwehrmechanismus gegen Retroviren führen. In der Folge könnte dies Auswirkungen auf künftige HIV-1-Heilungsstrategien haben. So könnte die Förderung der Bildung defekter Proviren eine nützliche "Block-and-Lock"-Strategie zur HIV-1-Heilung darstellen.

Direct link to Lay Summary Last update: 06.10.2021

Responsible applicant and co-applicants

Abstract

Pandemic HIV-1 infection is a global health threat. Almost 38 million people worldwide are infected with the human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1). A cure for the HIV-1 epidemic remains elusive despite the highly effective antiretroviral therapy (ART). The existence of the viral reservoir in HIV-1 infected individuals is the major hurdle towards achieving cure. After entering the cell and reverse transcribing its genome, HIV-1 integrates its double-stranded DNA into the host genome where it can persist as provirus. The vast majority of those archived proviruses are replication-incompetent mainly due to large internal deletions and/or hypermutations. These deletions are assumed to be caused by erroneous template switching during reverse transcription. They are not exclusively observed in cells from HIV-1 infected individuals but also in cells infected in vitro with HIV-1 or even retroviral vectors. Surprisingly, we also observed such large internal deletions after targeted integration of HIV-1 based, dual-fluorophore vectors as well as full-length HIV-1 constructs using CRISPR/Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/ CRISPR-associated protein 9), i.e., in the absence of viral enzymes such as reverse transcriptase or integrase. Our data suggest further that both HIV-1 long terminal repeats (LTR) at the 5’ and 3’ end of the vectors are required for the formation of such large internal deletions. We hypothesize that in addition to viral factors there are also cellular factors that can cause large internal deletions in proviruses. In the proposed project we would like to identify cellular factors involved in the formation of large internal deletions that are observed in proviruses. We will apply human genome-scale CRISPR/Cas9 screenings to identify such cellular factors followed by experiments showing that these factors are indeed involved in the formation of defective proviruses in primary cells infected with HIV-1. We will investigate potential mechanisms and pathways of the formation of large internal deletions in proviruses. An important question will be whether such a cellular pathway can be enhanced to inhibit HIV-1 replication. Furthermore, we will examine the universality of this process, i.e., we will study the formation of large internal deletions in the context of LTRs from other retroviruses. We will further map the critical parts in the HIV-1 LTRs involved in the formation of large internal deletions in proviruses. Finally, we will study potential evasion strategies by HIV-1 with the primary focus on the accessory protein Vpr (viral protein R), a modulators of the DNA repair system.The identification of cellular factors involved in the formation of large internal deletions in proviruses might lead to the discovery of a novel host defense mechanism against retroviruses and maybe also retrotransposons. This may have implications for future HIV-1 cure strategies and retro-/lentiviral vectors used in gene therapy approaches. For instance, enhancing the formation of defective proviruses might be a useful “block and lock” HIV-1 cure strategy.
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