Wissenschaftler decken neue Aspekte der HIV-Infektion auf, indem sie Zucker auf der Oberfläche einzelner Immunzellen überwachen

HIV-Forscher versuchen seit langem, die spezifischen Zellen zu identifizieren, die das Virus bevorzugt infiziert und in denen es sich versteckt. Sie wissen, dass HIV eine spezielle Art von Immunzellen bevorzugt, die als Gedächtnis-CD4-T-Zellen bezeichnet werden. Aber diese Zellen gibt es in vielen Geschmacksrichtungen, und es war schwierig festzustellen, was genau einen Typ von CD4-Gedächtniszellen für HIV attraktiver macht als einen anderen.

Gladstone Associate Investigator Nadia Roan, Ph.D., und ihr Team gehen diese Frage seit Jahren an, indem sie CD4-T-Zellen anhand der Sammlung von Proteinen analysieren, die sie auf ihrer Oberfläche tragen. Kürzlich haben sie einen anderen Molekültyp an der Zelloberfläche ins Visier genommen: Zucker.

Roan tat sich mit Mohamed Abdel-Mohsen, Ph.D., einem außerordentlichen Professor am Wistar Institute und einem Spezialisten für die zelluläre Maschinerie, die Zucker synthetisiert, zusammen. Gemeinsam entdeckten die Wissenschaftler überraschend unterschiedliche Zuckermuster auf verschiedenen Immunzellen und ein faszinierendes Zusammenspiel zwischen HIV und den Zuckern, die CD4-T-Zellen umhüllen. Über ihre Ergebnisse berichten sie im Journal eLife.

„Eines der auffälligsten Ergebnisse unserer Studie ist, dass die Menge einer einzigen Art von Oberflächenzucker zwischen Gedächtnis-CD4-T-Zellen mit sehr unterschiedlichen biologischen Merkmalen und Anfälligkeit für eine HIV-Infektion unterscheiden kann“, sagt Roan, der auch außerordentlicher Professor von ist Urologie an der UC San Francisco und Mitautorin der Studie.

Die Arbeit zeigt auch eine neue Technik zur Untersuchung einzelner Zellen aus großen Populationen, die zu einem detaillierteren Bild der Zellvielfalt führen könnte.

„Es gibt eine enorme Vielfalt an Zelloberflächenzuckern“, sagt Abdel-Mohsen, Mitautor der Studie. „Aber sie wurden zu wenig untersucht, zum Teil, weil sie schwerer zu verfolgen sind als Proteine. Indem wir große Populationen von Zellen sowohl nach ihrem Zucker- als auch nach ihrem Proteinprofil sortieren, können wir neue Klassen von Zellen aufdecken, die sich früheren Studien entzogen haben und den Schlüssel enthalten könnten zur Lösung wichtiger biologischer Probleme.“

Vermessung der Zuckerbeschichtung einzelner Zellen

Die Forscher untersuchten verschiedene Ketten einfacher Zuckermoleküle. Die Ketten unterscheiden sich in Länge, Verzweigungsmustern und der Art der enthaltenen Zucker, und es ist bekannt, dass sie eine Reihe von Zelleigenschaften beeinflussen.

„Wir haben uns gefragt, inwieweit Zelloberflächenzucker uns helfen könnten, verschiedene Zelltypen innerhalb einer Population von Immunzellen zu unterscheiden“, sagt Tongcui Ma, Ph.D., Erstautor der Studie und Wissenschaftler bei Gladstone.

Um diese Frage zu beantworten, passte Roans Team eine Technik namens CyTOF an, mit der sie zuvor das Proteinprofil einzelner Immunzellen untersuchten. CyTOF stützt sich auf Antikörper, um spezifische Proteine ​​zu identifizieren, und kann das Vorhandensein, Fehlen und die Menge von fast 40 verschiedenen Proteinen gleichzeitig aufzeichnen. In dieser Studie ersetzte das Team fünf der CyTOF-Antikörper durch fünf verschiedene Lektine, Moleküle, die verschiedene Zuckerarten erkennen können.

„Wir haben nicht so viele Lektine wie Antikörper“, sagt Abdel-Mohsen. „Wir kennen jedoch mehrere Lektine, die zwischen einer Vielzahl von Zuckern mit unterschiedlichen Formen und molekularen Zusammensetzungen unterscheiden können, und wir planen, unsere Arbeit durch die Verwendung neuer Lektine in der Zukunft zu erweitern.“

Mit dem modifizierten CyTOF, das sie CyTOF-Lec tauften, analysierten die Wissenschaftler Immunzellen aus dem Blut und Gewebe menschlicher Spender. Sie fanden heraus, dass das Muster der Zucker unterschiedlich war, je nachdem, woher die Zellen kamen – Blut versus Mandel versus Fortpflanzungstrakt – und um welche Art von Immunzellen es sich handelte – CD4-T-Zellen versus andere T-Zellen versus antikörperproduzierende B-Zellen.

„Wir haben jetzt ein gutes Toolkit, um die Kombination von Proteinen und Zuckern, die auf einzelnen Zellen vorhanden sind, sehr detailliert zu analysieren“, sagt Roan. „Und da alle Zellen im Körper Zucker an ihrer Oberfläche tragen, glauben wir, dass CyTOF-Lec für das breitere biomedizinische Forschungsfeld nützlich sein wird.“

HIVs Naschkatzen

Ermutigt durch dieses Ergebnis wendeten die Wissenschaftler CyTOF-Lec als nächstes auf CD4-T-Zellen an, die sie zuerst im Labor HIV ausgesetzt hatten. Nicht alle CD4-T-Zellen werden mit HIV infiziert, und Roans Team und andere haben im Laufe der Jahre einige Proteinmuster entdeckt, die helfen, die anfälligsten Zellen zu identifizieren.

Die Wissenschaftler wissen auch, dass HIV nach dem Eindringen in eine Zelle die Proteine ​​verändert, die die Zelle auf ihre Oberfläche bringt – ein Phänomen, das als virales Remodeling bezeichnet wird. Roans Team hat ein Bioinformatik-Tool namens PP-SLIDE entwickelt, um das Profil einer Zelle zu rekonstruieren, bevor sie von HIV infiziert und umgebaut wurde.

Durch die Kombination von CyTOF-Lec mit PP-SLIDE machte das Team zwei wichtige Entdeckungen.

Erstens schien HIV vorzugsweise die Gedächtnis-CD4-T-Zellen mit den größten Mengen von zwei Arten von Zuckern auf ihrer Oberfläche zu infizieren: Fucose und Sialinsäure. Weitere Experimente bestätigten, dass einer dieser Zucker, Sialinsäure, tatsächlich erforderlich ist, damit HIV CD4-T-Zellen effizient infizieren kann.

Zweitens steigerte HIV die Produktion dieser beiden Zucker in den Zellen, die es infiziert hatte, weiter, was darauf hindeutet, dass der Umbau nicht auf Proteine ​​beschränkt ist, sondern sich auch auf Zucker erstreckt.

„Es ist faszinierend, dass es mehrere Mechanismen zu geben scheint, die einen hohen Sialinsäurespiegel auf infizierten Zellen gewährleisten: HIVs Vorliebe für Zellen mit viel Sialinsäure und seine Fähigkeit, die Sialinsäuremengen an der Oberfläche weiter zu erhöhen“, sagt Roan. „Dies könnte HIV-infizierten Zellen helfen, zu überleben, da Sialinsäure mit der Umgehung der Immunüberwachung in Verbindung gebracht wird.“

Indem sie der Immunüberwachung entkommen, können diese heimlich infizierten Zellen es HIV ermöglichen, sich schnell festzusetzen und sich an mehr Stellen im Körper auszubreiten. Sie könnten auch gute therapeutische Ziele darstellen.

HIV versteckt sich auch vor der Immunabwehr, indem es sich in einer meist stillen Form in einigen Zellen festsetzt. Diese stillen (oder „latent“) infizierten Zellen sind schwer auszurotten, da sie bisher nicht eindeutig von nicht infizierten Zellen unterschieden werden konnten. Roans Team plant nun, CyTOF-Lec auf Proben von Menschen anzuwenden, die mit HIV leben, in denen diese Zellen selbst bei Vorhandensein einer antiretroviralen Therapie bestehen bleiben.

„Auf diese Weise könnten wir zuckerbasierte Biomarker entdecken, die verwendet werden könnten, um diese latent infizierten Zellen anzuvisieren und zu eliminieren“, sagt Roan.

Natürlich müssen diese verlockenden Hypothesen mit weiteren Experimenten getestet werden. Die bisherigen Ergebnisse machen CyTOF-Lec jedoch zu einem vielversprechenden neuen Werkzeug zur Aufdeckung neuer Zellbiologie, einschließlich der Rolle von Zuckern bei der Infektion durch andere Viren als HIV, wie SARS-CoV-2 und Influenza.