Quasispecies variation of 5’ half-length genomes from HIV-1 CRF103_01B by single genome amplification

Virussen zijn geen statische indringers; het zijn verschuivende populaties die veranderen terwijl ze zich door een gastheer bewegen. Wanneer iemand besmet is met HIV, bestaat het virus niet als één enkele, uniforme entiteit. In plaats daarvan bestaat het als een wolk van licht verschillende genetische versies, een collectie die bekend staat als een quasisoort. Denk aan deze wolk als een kaartspel waarbij bijna elke kaart identiek is aan de andere, maar elke kaart een klein, uniek merkteken heeft. Omdat het virus zo snel repliceert en veel kopieerfouten maakt, hopen deze merkteken zich op. In de vroege dagen van een infectie is het kaartspel meestal zeer uniform, maar naarmate de tijd verstrijkt en het immuunsysteem van het lichaam tegenstribbelt, evolueert het virus en ontstaat er een complexere en diversere stapel kaarten. Het begrijpen van deze diversiteit is cruciaal, omdat sommige van deze zeldzame, verborgen varianten eigenschappen kunnen bezitten waardoor ze medicatie kunnen overleven, zelfs als de meerderheid van de viruspopulatie dat niet kan.

Een team onderzoekers in Beijing zette zich in om deze verborgen diversiteit binnen een specifieke stam van HIV, bekend als CRF103_01B, te onderzoeken. Deze stam werd voor het eerst geïdentificeerd in 2020 onder mannen die seks hebben met mannen in de provincie Hebei, maar verder onderzoek toonde aan dat de stam uit Beijing afkomstig was en daar sinds ten minste 2017 circuleerde. Hoewel wetenschappers eerder de brede structuur van dit virus in kaart hadden gebracht, ontbrak het hen aan een gedetailleerd kijkje in de individuele genetische variaties binnen de mensen die het dragen. Om deze subtiele verschillen te zien, maakten de onderzoekers gebruik van een techniek genaamd single-genome amplification. In tegen tegenstelling tot standaardmethoden, die alle virale kopieën bij elkaar mengen en een gemiddelde resultaat produceren, isoleert deze methode individuele virale genomen één voor één en kopieert deze. Dit stelt wetenschappers in staat om de zeldzame varianten te zien die door andere benaderingen gemist zouden worden, waardoor de ware complexiteit van de viruspopulatie binnen elke patiënt wordt onthuld.

De studie richtte zich op zes individuen in Beijing die besmet waren met deze specifieke stam. Niemand van hen had op het moment van de studie een behandeling voor HIV ontvangen, wat betekende dat de onderzoekers het virus in zijn natuurlijke staat konden observeren zonder de invloed van medicatie. De groep bestond uit vijf mannen en één vrouw, variërend in leeftijd van 26 tot 50 jaar. Sommigen leefden al vele jaren met het virus, terwijl één man onlangs was gediagnosticeerd, wat een acute infectie vertegenwoordigt. De onderzoekers verzamelden bloedmonsters van deze zes mensen en extraheerden het virale RNA. Met behulp van de single-genome amplification techniek slaagden zij erin om in totaal 164 verschillende genetische sequenties te genereren van de 5'-helft van het virale genoom, met tussen de 21 en 36 sequenties verkregen voor elke persoon, waarmee een gedetailleerde momentopname van de virale wolk binnen elke gastheer werd vastgelegd.

Toen de onderzoekers deze sequenties analyseerden, onthulden de resultaten een duidelijk verschil tussen de vroege en late stadia van de infectie. Het individu met de acute infectie, die het virus pas onlangs had opgelopen, vertoonde een opmerkelijk uniforme viruspopulatie. De genetische sequenties van deze persoon waren bijna identiek, wat suggereert dat de infectie werd gestart door een enkele virale stam of een groep zeer nauw verwante stammen. Deze bevinding komt overeen met het idee dat seksuele transmissie vaak een genetische bottleneck met zich meebrengt, waarbij slechts enkele varianten erin slagen de infectie te vestigen. In contrast hiermee vertoonden de vijf individuen met chronische, langdurige infecties een veel complexer beeld. Hun viruspopulaties waren gesplitst in verschillende afzonderlijke subgroepen, wat aantoont dat het virus in de loop van de tijd aanzienlijk is geëvolueerd, zich heeft aangepast aan het immuunsysteem van de gastheer en een diverse mix van genetische varianten heeft gecreëerd.

De studie bracht ook een specifiek patroon aan het licht bij een echtpaar onder de deelnemers, een man en een vrouw die beiden besmet waren. Hun virale sequenties vormden een nauwe cluster, wat bevestigde dat zij deel uitmaken van dezelfde transmissieketen. Echter, de virale populatie van de vrouw was minder divers dan die van de man, en haar virus vormde een enkele secundaire evolutionaire cluster met sterke statistische ondersteuning, terwijl het virus van de man meerdere subclusters vertoonde. Dit patroon, gecombineerd met het feit dat de man een veel lagere immuuncelcount had bij de diagnose, suggereerde sterk dat hij de bron van de infectie was en dat zij later in het verloop van zijn ziekte besmet was geraakt. Het virus in de man had meer tijd gehad om te evolueren en te diversifiëren, terwijl het virus van de vrouw dichter bij de oorspronkelijke stam bleef die tussen hen werd overgedragen.

Naast de evolutionaire geschiedenis zochten de onderzoekers naar tekenen van drugresistentie, wat mutaties zijn die standaardbehandelingen minder effectief kunnen maken. Verrassend genoeg vertoonde geen van de 164 sequenties tekenen van resistentie die door standaard, bulk-testen gedetecteerd zouden worden. Echter, de single-genome benadering onthulde een ander verhaal. Elke enkele sequentie droeg een specifieke mutatie genaamd V106I, die geassocieerd wordt met een verminderde gevoeligheid voor een klasse medicijnen genaamd non-nucleoside reverse transcriptase-remmers. Bovendien vonden de onderzoekers verschillende andere zeldzame mutaties in kleine percentages van de virale populatie binnen individuele patiënten. Zo droeg één patiënt een mutatie genaamd F227Y in bijna 18 procent van zijn virale varianten, en anderen droegen mutaties zoals I50V en L210W op zeer lage frequenties. Deze mutaties waren onzichtbaar voor traditionele testen, maar waren duidelijk aanwezig in de virale wolk.

De aanwezigheid van deze minderheidsvarianten is significant omdat ze kunnen fungeren als een reservoir voor toekomstig behandelfalen. Als een patiënt een medicatieregime start dat zich richt op de hoofdpopulatie van het virus, kunnen deze zeldzame, reeds aanwezige varianten overleven en zich vermenigvuldigen, waardoor de behandeling uiteindelijk niet meer werkt. De studie benadrukt dat vertrouwen op standaardtesten een vals gevoel van veiligheid kan geven met betrekking tot drugresistentie. Door single-genome amplification te gebruiken, hebben de onderzoekers aangetoond dat zelfs bij mensen die nooit HIV-medicatie hebben gebruikt, het virus verborgen genetische variaties kan herbergen die de therapie in gevaar kunnen brengen. Dit gedetailleerde overzicht van de virale quasisoort biedt een nauwkeurigere manier om te begrijpen hoe HIV binnen een persoon evolueert en suggereert dat het dieper kijken in deze genetische wolken artsen kan helpen bij het ontwerpen van betere, meer gepersonaliseerde behandelplannen vanaf het allereerste begin.