Systems Biology for the identification of epigenetic biomarkers and host factors associated with HIV-1 control

Abstract

La cura del VIH-1 és un dels majors reptes científics i l’únic tractament és l’administració de fàrmacs antiretrovirals per mantenir una càrrega viral indetectable, i bloquejar el progrés de la malaltia associada a la infecció. Malgrat els múltiples beneficis dels antiretrovirals, aquests fàrmacs no arriben a tota la població mundial i requereixen una adherència al tractament a llarg termini, ja que per la capacitat del VIH-1 d’induir latència, si s’interromp el tractament, la càrrega viral augmenta ràpidament. L’estudi d’individus capaços de controlar la infecció del VIH-1 en absència de tractament antiretroviral ha estat rellevant en el disseny de les estratègies curatives del VIH-1, però encara es desconeixen tots els mecanismes que indueixen aquest control. En aquesta tesis, hem aplicat anàlisis de dades òmiques per identificar els factors de l’hoste i els mecanismes biològics associats al control natural de la infecció per VIH-1, o bé involucrats en el control induït per una teràpia kick-and-kill. En el primer capítol de la tesis, es descriuen els factors de l’hoste regulats epigenèticament associats al control del VIH-1. Breument, l’estudi de la metilació de l’ADN en PBMCs d’individus amb diferent capacitat de controlar la replicació viral, ha demostrat que la metilació en gens involucrats en la resposta antiviral i en la resposta de cèl·lula T, s’associa a la capacitat de controlar espontàniament la infecció. A més, els nivells de metilació d’aquests gens correlacionen amb la càrrega viral, els nivells de proviral, els marcadors de resposta T, i la capacitat neutralitzant d’anticossos. Aquestes observacions indiquen que les marques epigenètiques s’han de tenir en compte en futures estratègies d’eradicació i/o curació del VIH-1. L’objectiu del segon capítol de la tesis és la identificació de biomarcadors en plasma predictius del control del VIH-1. En aquest estudi, els nivells de les formes solubles del TL1A i el DR3 es troben associats al control del VIH-1 i a la resposta immune mediada per cèl·lules T. Aquests resultats, conjuntament amb experiments in vitro, han demostrat que la co-estimulació del DR3 millora la resposta T especifica contra el VIH-1, i ofereixen una possible eina per millorar la resposta immune cel·lular en futurs assaigs clínics. Finalment, el tercer capítol inclou una anàlisis de biologia de sistemes en els participants de l’assaig clínic BCN02 per identificar els desencadenants de control viral després d’una estratègia kick-and-kill. Als participants del BCN02 se’ls va administrar romidepsina per reactivar la latència del VIH-1, i se’ls va vacunar amb l’immunogen HIVconsv per induir una resposta cel·lular contra el VIH-1. Seguidament, en la fase MAP (de l’anglès, Monitored Antiretroviral Pause), es va interrompre el tractament antiretroviral i es va observar que 4 d’ells mostraven un rebot viral retardat amb una càrrega viral inferior a les 2,000 còpies d’ARN viral/ml durant, al menys, 8 setmanes. En l’estudi exploratori de la metilació de l’ADN i l’expressió gènica global en PBMCs dels participants del BCN02, s’ha observat com la intervenció clínica, impactava tan els patrons epigenètics com d’expressió gènica de l’hoste, incloent gens implicats en vies de senyalització relacionades amb la infecció del VIH-1 i la resposta immune cel·lular. També s’ha identificat una petjada epigenètica prèvia a la interrupció del tractament antiretroviral, que s’associa al rebot viral temprà o tardà. Aquests resultats suggereixen que els biomarcadors basats en la metilació de l’ADN podrien utilitzar-se com a variable subrogada del control viral post-tractament. Globalment, aquestes anàlisis han permès identificar gens i vies de senyalització diferencialment regulades tant en el control natural de la infecció del VIH-1, com en el control post-tractament. Per tant, els estudis inclosos en aquesta tesis han permès identificar nous candidats a biomarcadors de control viral i possibles dianes terapèutiques.

La cura del VIH-1 es uno de los mayores retos científicos y el único tratamiento son los fármacos antirretrovirales que mantienen una carga viral indetectable y bloquean el progreso de la enfermedad asociada a la infección. A pesar de los múltiples beneficios de los antiretrovirales, éstos no llegan a toda la población mundial y requieren la adherencia al tratamiento a largo plazo, ya por la capacidad del VIH de establecer latencia, la interrupción del tratamiento desencadena un rápido rebote viral. El estudio de individuos capaces de controlar la infección del VIH-1 sin tratamiento antiretroviral, ha sido de especial relevancia en el diseño de estrategias curativas. Sin embargo, se desconocen todos los mecanismos asociados al control viral. En la presente tesis, aplicamos un análisis de datos ómicos para identificar factores del huésped y mecanismos biológicos asociados al control natural de la, o al control inducido después de la terapia kick-and-kill. En el primer capítulo de la tesis, describimos factores del huésped regulados epigenéticamente y asociados al control espontáneo del VIH. Brevemente, el estudio de la metilación del ADN en PBMCs de individuos con diferente capacidad de controlar la replicación viral, ha demostrado que la metilación de genes de respuesta antiviral y de respuesta celular, se asocia al control natural de la infección. Además, los niveles de metilación de estos genes correlacionan con la carga viral, los niveles de proviral, marcadores de respuesta celular T, y la capacidad neutralizante de los anticuerpos. Estas observaciones indican que la regulación epigenética de la respuesta inmune debería considerarse en futuras estrategias de curación y/o erradicación del VIH. El objetivo del segundo capítulo es la identificación de biomarcadores en plasma predictivos del control natural del VIH-1. En este estudio, los niveles de las formas solubles del TLA y el DR3 se asociaron al control viral y a la respuesta celular T. Estos resultados y los de experimentación in vitro, han demostrado que la co-estimulación del DR3 mejora la respuesta T específica contra el VIH-1, y ofrecen una posible herramienta terapéutica para mejorar la respuesta inmune celular contra el virus. Finalmente, el tercer capítulo incluye un análisis de biología de sistemas en PBMCs de los participantes del ensayo clínico BCN02 para identificar los desencadenantes del control viral después de la estrategia kick-and-kill. A los participantes del BCN02 se les administró romidepsina para reactivar la latencia del VIH, y se los vacunó con el inmunógeno HIVconsv para inducir una respuesta inmune celular contra el VIH. En fase MAP (del inglés, Monitored Antiretroviral Pause), se interrumpió el tratamiento antirretroviral y se observó que 4 de ellos mostraban un rebote viral tardío, siendo capaces de mantener una carga viral por debajo las 2,000 copias de ARN viral/ml durante, al menos, 8 semanas. Mediante el estudio exploratorio de la metilación del ADN y la expresión génica global en PBMCs de los participantes, se observó que la intervención, tenía un gran impacto en los patrones transcripcionales y epigenéticos del huésped, incluyendo genes de vías de señalización involucradas en la replicación del VIH-1 y en la respuesta inmune. También se identificó una impronta epigenética, previa a la interrupción del tratamiento, que se asocia al rebote viral temprano o tardío durante la MAP. Estos resultados sugieren un posible uso de biomarcadores basados en la metilación del ADN cómo variables subrogadas del control viral post-tratamiento. Globalmente, estos análisis han permitido la identificación de genes y vías de señalización diferencialmente reguladas tanto en el control natural de la infección cómo en el control inducido posttratamiento. Por lo tanto, los estudios incluidos en esta tesis permiten identificar nuevos candidatos a biomarcadores y posibles dianas terapéuticas.

An effective HIV-1 cure is still one of the major scientific challenges, and a global solution is not yet available beyond the administration of antiretroviral drugs, which maintain undetectable viral load and pause the progression of HIV associated disease. Albeit the evident benefits of antiretroviral therapy, it is not available worldwide, it requires life-long medication and, if stopped, a rapid viral rebound is observed due to HIV-1’s capacity to establish latency and form an HIV-1 reservoir. In the development of current HIV-1 strategies, the study of a small subset of individuals with the capacity to spontaneously control HIV-1 infection has been relevant. However, the mechanisms of this control are not fully understood. In the present thesis, we have applied different omics-based analyses to gain insight into host factors and biological mechanisms associated with natural HIV-1 control. In parallel, these analyses are also applied in the context of the BCN02 clinical trial, designed to achieve a functional HIV-1 cure, in order to identify mechanisms of post-treatment control, which might be different from the ones observed in natural control. Chapter I describes the identification of epigenetically regulated host factors associated with spontaneous control of HIV-1. In brief, the genome-wide DNA methylation of PBMCs was studied in individuals with different levels of relative in vivo control of HIV-1 replication. Results indicated that differential DNA methylation on genes involved in the antiviral immune response and T-cell activation were associated with the capacity of natural control. Additionally, these methylation imprints were strongly associated with viral load, proviral DNA levels, markers of the T-cell response against HIV-1 and neutralizing antibody capacity. These observations indicate a crucial role of epigenetic imprints and have the potential to guide future HIV eradication and cure strategies. The objective of Chapter II was to identify plasma biomarkers predictive of HIV-1 disease control. Specifically, soluble forms of TL1A and DR3 were found to be associated with virus control but also with parameters of T-cell mediated immunity. These results, coupled with validation analysis and in vitro experiments, showed that DR3 stimulation enhances HIV-1 specific T cell-responses, providing a potential tool for boosting HIV- specific T-cell responses in therapeutic vaccination strategies. Finally, an integrated systems biology analysis was conducted in the setting of the kick-and-kill intervention applied in the BCN02 clinical trial, to understand the biological mechanisms impacted by the intervention and to identify potential drivers of post-treatment control (Chapter III). Participants from the BCN02 study were treated with romidepsin to disrupt HIV-1 latency, and vaccinated with HIVconsv immunogen to elicit T-cell responses against conserved regions of HIV-1. Subsequently, individuals interrupted their antiretroviral treatment in a “monitored antiretroviral pause” (MAP) during which 4 individuals showed a delayed viral rebound and maintained viral replication below 2,000 HIV RNA copies/ml for, at least, 8 weeks. This exploratory study demonstrated how the intervention impacted the host PBMCs’ transcriptional and DNA methylation programs, especially after HIVconsv vaccination and romidepsin administration. Importantly multiple biological pathways, including the ones involved in HIV- 1 infection and T-cell immunity, were modulated at both the epigenetic and transcriptional level. Additionally, individuals with an early or late rebound during MAP showed differential epigenetic signatures prior to treatment interruption, suggesting the use of DNA methylation-based biomarkers as a surrogate of post-treatment control. Overall, omics-based systems biology analyses enabled the study of human plasma and PBMC samples to unveil different genes and pathways that are differentially modulated in natural and post-treatment HIV- 1 control, thus providing new potential biomarkers and therapeutic targets.