Primary contact with human polyomaviruses is followed by lifelong asymptomatic persistence of viral DNA. Under severe immunosuppression JCV activation may lead to unrestricted virus growth in the CNS followed by development of progressive multifocal leukoencephalopathy (PML). Besides the kidney and the brain, target cells of persistent infection were also found in the hematopoietic system. This included the presence of JCV genomes in peripheral blood cells (PBCs). In the attempt to understand the role of PBCs for the JCV infection in humans, we asked for the type of cells affected as well as for virus interaction with PBCs. Analysis of separated subpopulations by highly sensitive and specific polymerase chain reaction and Southern blot hybridization revealed the presence of JCV DNA mostly in circulating granulocytes. These cells have important functions in innate immunity and are professional phagocytes. This suggested that PCR amplified DNA might be the result of an extranuclear association of the virus due to membrane attachment or phagocytosis rather than JCV infection with presence of viral DNA in the nucleus. In the attempt to answer this question JCV DNA was subcellularly localized in the blood of 22 healthy donors by JCV specific fluorescence in situ hybridization (FISH). Granulocytes and peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) were separated by Percoll gradient centrifugation. Intracellular JCV DNA was hybridized with Digoxigenin-labeled JCV specific DNA probes covering half of the viral genome. As the sensitivity of the anti-digoxigenin antibody system was lower than the PCR detection level, a chemical amplification step was included consisting of peroxidase labeled secondary antibody precipitating biotinylated tyramide followed by detection with streptavidin-Texas-Red and fluorescence microscopy. Comparison of the number of cells affected in healthy individuals with 15 HIV-1 infected patients with and without PML revealed that the rate of affected PBMCs was comparable in both groups (2.5±0.4 and 14.5±0.9 per 1000). In contrast, the rate of JCV positive granulocytes in the immunosuppressed group was 92.6±1.7% compared to 4±1.4% in healthy donors thus confirming that granulocytes are the major group of circulating cells affected by JCV and that HIV-1 associated immune impairment has an important effect on the virus-cell association. Localization revealed that JCV DNA was predominantly located within the cytoplasm, although hybridizing signals occasionally covered the nuclear compartment. The fluorescent glow of chemical amplification combined with classical fluorescence microscopy did not allow an unequivocal localization of viral DNA. However, confocal microscopy of 24 sections through single cells combined with FISH without chemical amplification confirmed cytoplasmic localization of JCV DNA in a large number of cells. Additionally, it clearly demonstrated that JCV DNA was also located in the nucleus and nuclear localization directly correlated with the number of cells affected. Calculation of the virus load in subcellular compartments revealed that up to 50% of the JCV genomes were located in the nucleus thus pointing to viral infection at least in the granulocytes of HIV-1 infected patients. This may contribute to the distribution of the virus from sites of peripheral infection to the CNS and may promote the development of active PML in the severely immune impaired patients. / Primärer Kontakt mit dem humanen Polyomavirus JC führt zu lebenslanger asymptomatischer Persistenz der viralen DNA in den Zielorganen der Infektion insbesondere der Niere und dem ZNS. Unter schwerer Immunsuppression kann die Aktivierung des JCV zu uneingeschränkter Vermehrung des Virus im ZNS und zur Entwicklung einer zentralnervösen Erkrankung, der progressiven multifokalen Leukoenzephalopathie (PML) führen Neuerdings wurde JCV DNA auch in Zellen des blutbildenden Systems insbesondere in peripheren Blutzellen (PBCs) beschrieben. Um die Rolle der PBCs für die JCV-Infektion beim Menschen besser zu verstehen, sollte der virus-assoziierte Zelltyp bestimmt und die Virus-Zell Interaktion näher untersucht werden. Die Analyse von isolierten Blutzellsubpopulationen durch eine sensitive und spezifische Polymerase-Kettenreaktion mit folgender Southern Blot-Hybridisierung ergab die Präsenz von JCV-DNA zumeist in zirkulierenden Granulozyten. Diese Zellen haben eine wichtige Funktion in der angeborenen Immunität und sind professionelle Phagozyten. Dies legte nahe, dass die PCR-amplifizierte DNA eher das Ergebnis einer extranukleären Assoziation des Virus durch Membranassoziation oder Phagozytose als einer JCV-Infektion ist, die durch Virus-DNA im Kern charakterisiert ist. Bei dem Versuch, diese Frage zu klären, wurde JCV-DNA in Blutzellen von gesunden Spendern mittels JCV-spezifischer Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) subzellulär lokalisiert. Granulozyten und periphere mononukleäre Blutzellen (PBMCs) wurden isoliert und intrazelluläre JCV-DNA mit Digoxigenin-markierten JCV DNA-Sonden, die die Hälfte des viralen Genoms representierten, hybridisiert. Da die Empfindlichkeit des Anti-Digoxigenin-Antikörper-Systems niedriger war als die PCR-Nachweisgrenze, wurde ein chemischer Amplifikationsschritt benutzt, das sogenannte Tyramidsystem, um die Sensitivität der FISH in Kombination mit der klassischen Fluoreszenzmikroskopie zu erhöhen. Der Vergleich der Anzahl von JCV betroffenen Zellen in gesunden Individuen mit Zellen von HIV-1-infizierten Patienten mit und ohne PML zeigte, dass die Rate der betroffenen PBMCs in beiden Gruppen (2,5 ± 0,4 und 14,5 ± 0,9 pro 1000) vergleichbar war. Im Gegensatz dazu war die Rate der JCV positiven Granulozyten in der immunsupprimierten Gruppe, 92,6 ± 1,7%, im Vergleich zu denen bei gesunden Spendern 4 ± 1,4% deutlich höher. Dies bestätigte, dass mit den Granulozyten die größte Gruppe von zirkulierenden Zellen von JCV betroffen sind und dass die schwere Beeinträchtigung der immunologischen Kompetenz durch die HIV-1 Infektion einen bedeutenden Einfluss auf auf die Virus-Zell Interaktion hat. Die intrazelluläre Lokalisation der viralen DNA ergab, dass die Signale überwiegend im Zytoplasma lokalisiert waren, wenngleich gelegentlich auch nukleäre Kompartimente betroffen waren. Durch die chemischen Verstärkung der Fluoreszenzsignale in Kombination mit klassischer Fluoreszenzmikroskopie war es jedoch nicht möglich eine eindeutige Lokalisierung der viraler DNA zu erreichen. Erst die Anwendung der konfokalen Mikroskopie bestätigte die predominant zytoplasmatische Lokalisierung von JCV-DNA in einer großen Anzahl von Zellen und hat eindeutig gezeigt, dass JCV-DNA zusätzlich im Kern lokalisiert ist. Die Kern Lokalisation korreliert direkt mit der Anzahl der betroffenen Zellen. Berechnung der Viruslast in subzellulären Kompartimenten hat gezeigt, dass bis zu 50% der JCV Genome im Kern von Granulozyten von HIV-1 Patienten lokalisiert waren. Dies deutet auf eine virale Infektion der Granulozyten hin und lässt vermuten, dass sie unter der HIV-1 Infektion an der Disseminierung des JC Virus aus den Organen der peripheren Infektion in das ZNS beteiligt sind und in der Konsequenz auch bei der Entwicklung der PML eine wesentliche Rolle spielen könnten.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:6308 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Sbiera, Silviu |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_ohne_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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