The role of human SAMHD1 in restricting porcine endogenous retroviruses (PERVs) and the innate immune response to PERV infection in human primary immune cells

Abstract

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.