studies in computational biology of hiv-1 - ETH E

Diss. ETH NO. 22301
STUDIES IN
COMPUTATIONAL BIOLOGY OF HIV-1
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
PEJMAN MOHAMMADI
M.Sc. Tech., Aalto University School of Science and Technology
born on 08.06.1985
citizen of Iran
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Niko Beerenwinkel
Prof. Dr. Mustafa H. Khammash
Prof. Dr. med. Jacques Fellay
Prof. Dr. Yaakov Benenson
2014
Abstract
This work presents three studies in biology of human immunodeficiency virus
type 1 (HIV-1). We use a combination of novel and standard computational
methods for in-depth analysis of high-throughput experimental data produced
from cell models of HIV-1. Viral pathogens, such as HIV-1, are fully dependent on the host cellular machinery to complete their replication cycle. The
sequence of events constituting the HIV-1 life cycle has been previously studied in detail. The cellular responses to HIV-1 infection have also been subject
to studies from various perspectives: the general and viral protein-specific
host expression reprogramming, the antiviral defense program, and also HIVspecific microRNA response. In the past years, several antiviral drugs have
been developed to target the HIV replication cycle at various stages. Successful antiretroviral therapy reduces HIV plasma viremia to undetectable levels; however, the virus is not eradicated. This phenomenon, known as HIV
latency, remains a major obstacle to infection clearance. While over 34 million individuals are estimated to live with HIV worldwide, the quest for a long
lasting HIV cure remains a top priority to the community. A more complete
picture of HIV biology that integrates viral and host events under the paradigm
of new quantitative technologies would offer the promise of progress to guide
future treatment strategies.
The thesis in organized in five chapters. The first chapter provides a brief introduction to the biology and pathogenesis of HIV-1, and presents the major
standing issues in the treatment and prospective cure for HIV-1. The chapters two, three, and four present three original research reports spanning two
general themes in HIV research, namely the life cycle, and strategies towards
the cure of patients. In chapter 2, Mohammadi et al. (2013) presents rigorous
mathematical models to characterize the emergence of viral replication intermediates and investigate their impact on cellular environment in a submissive
SupT1 cell line. In chapter 3, Vongrad et al. (2014) investigates the role of the
RNA interference pathway in HIV infected monocyte-derived macrophages.
The work identifies deregulated host microRNA upon HIV-1 infection, while
demonstrating that there are no HIV-derived RNAs incorporated into the common microRNA pathway. In chapter 4, Mohammadi et al. (2014) presents an
in-depth characterization of the dynamics of HIV-1 latency and reactivation,
and evaluates the functional impact of some of the most promising latency
reversal agents in a primary T-cell model. The thesis concludes in a discussion summarizing the findings, limitations, and the future perspectives of the
presented works.
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Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit umfasst drei Studien im Bereich der Biologie des humanen Immunodefizienz-Virus Typ 1 (HIV-1). Wir wenden eine Kombination von
neuartigen und handelsüblichen computer-gestützten Methoden zur präzisen
Datenanalyse von Hochdurchsatz-Experimenten von HIV-1 Zell-Modellen an.
Virale Pathogene, wie HIV-1, sind bezüglich der Durchführung ihres Replikationszyklus vollständig von der zellulären Maschinerie des Wirtes abhängig.
Die Abfolge von Ereignissen, die den HIV-1 Lebenszyklus ausmachen, ist gut
untersucht. Die zelluläre Reaktion auf HIV-1 Infektionen sind ebenso Bestandteil von Studien unterschiedlicher Blickwinkel gewesen: Die allgemeine und
virale proteinspezifische Umprogrammierung der Wirts-Expression, antivirale Verteidigungsmechanismen, sowie HIV-spezifische microRNA Reaktion. In
vergangenen Jahren wurden mehrere antivirale Medikamente entwickelt, die
den HIV Replikationszyklus in unterschiedlichen Stadien attackieren. Erfolgreiche anti-retrovirale Therapie reduziert HIV Plasma Viremia auf nicht detektierbareres Niveau, löscht den Virus jedoch nicht aus. Dieses Phänomen, bekannt
als HIV Latenz, bleibt als zentrales Hindernis der Infektionsbeseitigung bestehen. Während weltweit geschätzt 34 Millionen Menschen mit HIV leben, bleibt
die Suche nach einer langandauerenden Heilung von HIV höchste Priorität in
der Gesellschaft. Ein vollständigeres Bild der HIV Biologie, welches virale und
Wirts-Ereignisse unter dem Paradigma von neuartigen, qunatitativen Technologien integriert, würde das Versprechen einlösen, zukünftige Behandlungsstrategien voranzutreiben.
Die Dissertation ist in fünf Kapitel gegliedert. Im ersten Kapitel wird eine knappe Einführung zur HIV-1 Biologie und Pathogenese gegeben, sowie zentrale Aspekte in der Behandlung und zukünftigen Heilung von HIV-1 erläutert.
Kapitel zwei, drei und vier stellen eine Zusammenstellung von drei originären Forschungsarbeiten dar, die zwei grundsätzliche Themen der HIV Forschung umfassen, den Lebenszyklus und Strategien zur Behandlung von Patienten. In Kapitel 2, präsentiert Mohammadi et al. (2013) präzise mathematische Modelle zur Charakterisierung der Entstehung von viralen ReplikationsZwischenprodukten und untersuchen deren Einfluss auf die zelluläre Umgebung in einer submissiven SupT1 Zelllinie. In Kapitel 3 untersucht Vongrad
et al. (2014) die Rolle des RNA-Interferenz Signaltrandsduktionsweg in HIV
infizierten, aus Monozyten entwickelten, Makrophagen. Die Arbeit identifiziert
deregulierte Wirts microRNAs in Folge von HIV-1 Infektion und zeigt dass keine HIV-1-abgeleiteten RNAs in den gemeinsamen microRNA Signaltransduktionsweg ein einbunden werden. In Kapitel 4, präsentiert Mohammadi et al.
(2014) eine eingehende Charakterisierung der Dynamik von HIV-1 Latenz und
Reaktivierung und evaluiert den funktionellen Einfluss einiger der vielversprechendsten Stoffe zur Umkehrung der Latenz in einem primärent T-Zellen Modell. Die Dissertation schliesst ab mit einer Zusammenfassung der Ergebnisse,
sowie einer Diskussion von Einschränkungen und der Entwicklungsperspektive der präsentierten Arbeiten.
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