Search form

UZ Gent, AIDS referentielaboratorium

Contact details
Traineeship proposition
Abstract
Testimony
Admin
Abstract bachelor project 2017-2018: Heterogeneity of HIV proviral DNA: a challenge

An estimated 36.7 million people are infected with HIV. Although HIV infections are decreasing, the search for a cure or vaccine for HIV remains important. To aid in this search, a good understanding of the virus is necessary. HIV has a wide range of genetic variability, mostly caused by the error prone reverse transcriptase. Mutations mostly accumulate in the HIV proviral DNA. By studying the proviral DNA, more information about HIV could be revealed, contributing to the further understanding of the virus. 

A protocol for amplification of full length HIV proviral DNA in two fragments was already optimized in the laboratory. The goal of this study was the optimizing of a new protocol for the full length amplification and sequencing of HIV proviral DNA in one fragment. This must improve the analysis of the proviral DNA reservoir and discriminate replication competent from defective viruses.

Starting from frozen peripheral mononuclear blood cells, HIV DNA was extracted and subsequently clonally amplified as single full length fragments using a nested PCR protocol. PCR results were checked by submarine agarose electrophoresis. When successful, the amplicons were purified for the downstream Big Dye Sanger sequencing PCR. Using several primers spread over the genome, short sequence fragments were generated. Proofreading of all chromatograms was done and sequences were aligned against a HIV reference sequence and further analyzed with bioinformatics tools. With the obtained sequences individual provirus contig sequences that overlap the full genome were constructed.

Six samples from two patients could be successfully amplified using the optimized full length amplification protocol. Two patients, patient A and patient B, were selected for further analysis. Four out of six individual proviruses tested appeared to be small fragments with very large deletions between the LTR regions. One sample had an intact gag region, with most of the pol region also intact. Only one out of six samples was a fully intact HIV proviral genome of 8,9 kb. Small deletions and insertions were less commonly seen than expected. Evidence of hypermutation was only found in one amplicon.    

An optimized protocol for the amplification of proviral HIV DNA in one fragment and the accompanying primers for sequencing is now ready for use in the laboratory. More testing regarding the efficiency of these primers may be needed to ensure consistently good results. Further longitudinal study on different samples with this protocol could lead to new information being discovered regarding the proviral HIV reservoir.

Abstract bachelorproef 2016-2017Optimization of the amplification and sequence analysis of the full HIV-1 genome

The genetic diversity of HIV is wide because of the rapid replication and the error-prone reverse transcriptase. The occurrence of selective pressure and recombination also plays a role. Certain mutations may lead to resistant viruses, no longer sensitive for treatment with the existing drugs. In some cases, mutations also lead to a defective provirus that is no longer able to infect other host cells. These defective proviruses can be seen in the viral DNA that is integrated in the DNA of the host cell. Viral DNA integrated in the host cell is called the provirus.

Amplification and sequencing of viral DNA is particularly challenging because of the interference with human DNA. The aim is to optimize the sequencing procedure for full genome sequencing of the integrated DNA. A protocol for full genome sequencing of viral RNA extracted from plasma was already available at the laboratory. The design of this study was to adapt this protocol for viral DNA in blood cells. This will allow to define the variability of the proviral DNA, identify defective viruses and make a comparison between the viral RNA sequence and the proviral DNA sequence from the same patient.

The methodology of this research relies on molecular technics. After the extraction of RNA and DNA, both are amplified with a nested PCR protocol. With this protocol two large RNA or DNA fragments are amplified that together cover the full genome of the virus. After amplification, the amplicons are loaded on an agarose gel to see if the proper amplification occurred. To avoid subsequent interference with non-specific fragments the amplicons resulting from DNA amplification then undergo slicing from the agarose gel followed by a purification. The purified amplicons from proviral DNA are then subjected to a second round PCR amplification and purification. For amplicons from viral RNA no agarose gel slicing is needed and they are purified with a common purification kit. For sequencing of the purified amplicons, primers covering the whole fragment are used in a cycle sequencing PCR. The resulting short amplicons are then separated by capillary electrophoresis whereby they pass a laser to read the fluorescent terminal nucleotide. The obtained nucleotide sequences are then aligned against a reference sequence in order to define the different mutations.

Three out of six samples from DNA and all samples from RNA were successfully amplified and three paired RNA-DNA samples could be sequenced. The LTR region gave some problems but this only resulted in the missing of a small fragment of the whole HIV genome. A comparison of the indels between RNA and DNA showed that, as expected, the Gp120 region was the most variable in lenght. Altogether, RNA was less mutated than DNA. Analysis of the hypermutations that along other causes lead to defective proviruses showed that only a recent sample was not hypermutated. The two other samples showed most hypermutations in the GAG and POL region.

Further optimization such as primers and conditions of the nested PCR is needed to successfully amplify all DNA-samples. There is also need for one or more additional primers to close the full genome completely. Only then a veracious analysis of the samples can be done. This was the first outset to amplify and sequence DNA-samples relatively quick to execute a full genome mutation analysis.

 

Samenvatting eindwerk 2007-2008: Evaluatie van een genotypische test voor detectie van polymorfismen in het integrase gen van verschillende HIV-1 subtypes
Dankzij de beschikbaarheid van antiretrovirale middelen kan de replicatie van HIV geremd worden, waardoor de levensverwachting van HIV-geïnfecteerde patiënten stijgt. Een nadeel is echter dat het virus snel muteert en zo resistentie kan ontwikkelen tegen één of meerdere antivirale middelen. De antiretrovirale middelen werken in op verschillende stappen van de replicatiecyclus van HIV en worden meestal in een combinatie van drie producten gebruikt. De bestaande geneesmiddelen werken in op het reverse transcriptase, het protease of de fusie van het virus met de gastheercel. Recent is een eerste product van een nieuwe klasse door het FDA goedgekeurd, namelijk de integrase inhibitor raltegravir. Doordat integrase een nieuwe ‘target’ is voor therapie, ontstaat de noodzaak om onderzoek te doen naar resistentie. Dit kan gebeuren door genotypering van het integrase gen. Een aantal met resistentie gelinkte mutaties zijn reeds beschreven in de literatuur, maar de informatie is tot op heden beperkt en verder onderzoek is nodig.
Voor het ‘screenen’ van patiënten moet een protocol worden ontwikkeld voor het sequeneren van het integrase gen, dat toepasbaar is op zoveel mogelijk subtypes. In het ARL was al een voorlopig protocol opgesteld, dat in dit eindwerk geëvalueerd wordt. Hiertoe worden stalen van patiënten van verschillende subtypes gesequeneerd. De resultaten van amplificatie en sequentieanalyse zijn voor de meeste subtypes zeer goed, alleen voor subtype C worden moeilijkheden ondervonden. Door standaard altijd een nested PCR uit te voeren wordt een hoge specificiteit en hoge gevoeligheid bekomen. Amplificatie en sequentieanalyse van het integrase gen is mogelijk gebleken bij patiënten met een virale lading van minder dan 1000 viruskopijen per ml.
Door de bekomen sequenties te aligneren en te vergelijken met een referentie ontstaat een beeld van de natuurlijke variabiliteit van het integrase gen. 33,7 % van de aminozuurposities van de onderzochte sequenties zijn polymorf. Van alle gedetecteerde polymorfismen wordt nagegaan of ze in de literatuur worden beschreven als geassocieerd met integrase remmer resistentie. Van de 97 posities die polymorf blijken, zijn er dertien die met resistentie worden geassocieerd, maar over de exacte invloed van deze mutaties op integrase inhibitor resistentie is nog weinig gekend. Er worden geen sleutelmutaties waargenomen als natuurlijk polymorfisme.
Het ontstaan van resistentie na het opstarten van een therapie met raltegravir kan slechts bij één patiënt bestudeerd worden. Reeds na één maand verschijnt de eerste belangrijke sleutelmutatie in de integrase sequentie.
De bedoeling naar de toekomst toe is aan de hand van het opgestelde protocol alle patiënten die een raltegravir therapie starten vooraf te ‘screenen’ om de natuurlijke polymorfismen vast te stellen en vervolgens regelmatig op te volgen om te kijken welke mutaties ontstaan en hoe ze evolueren. Dit verder onderzoek moet toelaten vast te stellen welke mutaties in vivo een invloed hebben op raltegravir resistentie en wat de invloed is van natuurlijke polymorfismen op de gevoeligheid voor dit product.
 
Samenvatting eindwerk 2004-2005
Nu de behandeling met verschillende antiretrovirale middelen vrij succesvol is gebleken bij het bestrijden van HIV, duikt het probleem van drugresistentie op. Het virus ontwikkelt resistentie gericht tegen één of meerdere antivirale middelen waardoor de behandeling minder of geen effect meer heeft. In ontwikkelingslanden en in het bijzonder in Afrika ontbreken voldoende middelen en infrastructuur om een goede opvolging van de patiënten onder therapie te verzekeren. Dit verhoogt de kans op resistentie ontwikkeling en de kans op het verspreiden van het resistente virus in de populatie. In dit eindwerk werd gezocht naar een eenvoudige techniek om drugresistentie op te sporen. Er werd gezocht naar geschikte primers om een selectieve PCR reactie uit te voeren waarmee een onderscheid kan gemaakt worden tussen het wild type, therapiegevoelige, virus en het mutante, therapieresistente, virus. De primers en de PCR condities werden uitvoerig uitgetest. Alhoewel primers werden gekozen met een 3'-mismatch zijn we er niet in geslaagd om een selectieve PCR op punt te stellen. De reden hiervoor blijft onduidelijk. In tweede instantie werd de mogelijkheid nagegaan om resistentie mutaties op te sporen vanuit droge bloedspots. De collectie, bewaring en transport van bloed is in Afrika vaak een probleem. Diepvriezers voor lage temperaturen zijn niet altijd beschikbaar en speciaal transport (gekoeld en volgens de gewenste veiligheidsnormen) om de stalen naar de labo’s te transporteren is niet altijd mogelijk of te duur. De mogelijkheid om bloed te spotten op filterpapier en het daarna als droge bloedspot te bewaren en te versturen zou heel wat praktische problemen oplossen. Amplificatie van het protease (PR) gen en een deel van het reverse transcriptase (RT) gen als één amplificatieproduct bleek te weinig efficiënt te zijn. Amplificatie van enkel het PR gen daarentegen was wel succesvol. We konden aantonen dat de gevoeligheid van de amplificatiereactie van het PR gen vanuit een droge bloedspot vergelijkbaar was met de amplificatie van het PR gen vanuit een DNA extract. We konden ook aantonen dat het amplificatieproduct dat vanuit de droge bloedspots werd bekomen bruikbaar was voor het uitvoeren van een sequentiereactie.

Address

De Pintelaan 185
9000 Gent
Belgium

Contacts

Traineeship supervisor
Mevrouw Chris Verhofstede
09/ 332 51 61
chris.verhofstede@ugent.be
Kenny Dauwe
Zoekopdracht
Klassiek
Via Map