The role of human SAMHD1 in restricting porcine endogenous retroviruses (PERVs) and the innate immune response to PERV infection in human primary immune cells
Al-shehabi, Hussein
Die Freisetzung von Porcinen Endogenen Retroviren (PERVs) aus Schweinezellen ist ein
potenzieller Risikofaktor während der Xenotransplantation. PERV ist in der Lage, in humanen
Zelllinien zu replizieren. Mögliche Abwehrmechanismen gegen die PERV-Replikation sind
zelluläre Restriktionsfaktoren. Dazu gehört SAMHD1, eine Triphosphohydrolase, die den
zellulären dNTP Pool in sich nicht teilenden Zellen erschöpft und die reverse Transkription
damit verhindert. Restriktionsfaktoren und die angeborene Immunität sind die erste
Verteidigungslinie gegen eindringende Krankheitserreger. Die Erkennung viraler Strukturen
führt oftmals zur Produktion von Typ-I-Interferonen und nachfolgend zur Expression von
IFN-stimulierten Genen.
Der erste Teil dieser Arbeit fokussiert auf den Nachweis der antiviralen Aktivität von
SAMHD1 gegen rekombinante PERV-A/C in menschlichen Immunzellen. Um dies zu
untersuchen, wurden diese Viren aus aktivierten PBMCs von Schweinen gewonnen, um
humane Primärzellen von gesunden Spendern zu infizieren. Parallel dazu wurden
Primärzellen mit virusähnlichen Partikeln transduziert, welche zum Teil zusätzlich das Vpx-
Protein von SIVmac239 enthielten. Das Ergebnis zeigte, dass SAMHD1 die reverse
Transkription von PERV-A/C in menschlichen Monozyten, von Monozyten abgeleiteten
dendritischen Zellen (MDDC), Makrophagen (MDM) oder ruhenden CD4+ T-Zellen und in
monozytischen THP-1-Zellen wirksam einschränkt. Die Degradation von SAMHD1 durch
SIVmac Vpx oder CRISPR/Cas9-Knock-out von SAMHD1 ermöglichte die reverse
Transkription von PERV. Die Zugabe von Deoxynukleosiden milderte die SAMHD1-
vermittelte Restriktion, was darauf hindeutet, dass der SAMHD1-vermittelte Abbau von
dNTPs die PERV-Replikation in diesen menschlichen Immunzellen einschränkt.
Im zweiten Teil dieser Studie erfolgte die Untersuchung der IFN-Reaktion durch Analyse der
Induktion von IFN-stimulierten Genen in humanen Primärzellen nach Infektion durch PERVA/
C. Die Ergebnisse zeigen, dass PERV-A/C die CXCL-10-Produktion in humanen MDDCs,
Monozyten und MDMs über 100-fach erhöht. Aufgrund der profunden Inhibition dieser
Aktivierung mit dem JAK-Inhibitor (AT9283) wird daraus geschlossen, dass dieser
Signalweg für die CXCL-10 Induktion bei einer PERV-A/C Infektion in humanen
myeloischen Zellen verantwortlich ist. Die erhaltenen Ergebnisse belegen dass SAMHD1 ein
potenzielles Hindernis für die Übertragung von PERV-A/C von Schweinetransplantaten auf
Menschen während der Xenotransplantation darstellt. The release of porcine endogenous retrovirus (PERV) particles from pig cells is a potential
risk factor during xenotransplantation by way of productively infecting the human transplant
recipient. Potential countermeasures against PERV replication are restriction factors, such as
SAMHD1, that block retroviral replication. SAMHD1 is a triphosphohydrolase that depletes
the cellular pool of dNTPs in non-cycling cells preventing retroviral reverse transcription.
Restriction factors and innate immune responses are the first line of defense against invading
pathogens. Sensing of viruses in a cell usually results in the production of type I IFNs that
lead to the activation of IFN-stimulated genes.
The first part of this study focuses on the analysis of the antiviral activity of SAMHD1 against
PERV-A/C in human immune cells. To study that, PERV-A/Cs originating from activated
porcine PBMCs was used to infect human primary cells from healthy human donors. In
parallel, primary cells were transduced with virus-like particles (VLPs) lacking or containing
the Vpx protein from SIVmac239. The result showed that SAMHD1 potently restricts PERVA/
C reverse transcription in human monocytes, monocyte-derived dendritic cells (MDDC),
macrophages (MDM) or resting-CD4+ T-cells and in monocytic THP-1 cells. Degradation of
SAMHD1 by SIVmac Vpx or CRISPR/Cas9 knock-out of SAMHD1 allowed for PERV
reverse transcription. Addition of deoxynucleosides alleviated the SAMHD1-mediated
restriction suggesting that SAMHD1-mediated degradation of dNTPs restricts PERV
replication in these human immune cells.
The aims in the second part of this study were to investigate the IFN response by monitoring
induction of IFN stimulated genes following infection by PERV-A/Cs, and to identify the
signaling pathways, which play a role in the type I IFNs response. The results showed that
PERV-A/C increased (over 100-fold) CXCL-10 production in human MDDCs, monocytes
and MDMs compared with non-infected cells or heat-inactivated virus. Treatment with
VLP+Vpx or empty VLP did not cause more CXCL-10 induction compared with untreatment.
The JAK-inhibitor (AT9283) reduced the CXCL-10 induction in infected cells indicating that
the JAK/STAT pathway is activated by PERV-A/C infection of primary human myeloid cells.
In conclusion, the findings in this work highlight SAMHD1 as a potential barrier to PERVA/
C transmission from pig transplants to human recipients during xenotransplantation.
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