Project 5

HIV-1 capture and spread at nanoscopic resolution

Kräusslich, Hans-Georg
Dept. of Infectious Diseases – Virology

Prof. Dr. Hans-Georg Kräusslich

 

Infection and replication of HIV-1 have been analysed in various tissue culture systems including primary cells. These studies mostly applied ensemble measurements, and few analyses of individual events at high spatial and temporal resolution are currently available. Cellular and viral macromolecular complexes are involved at all stages of HIV-1 replication, and many individual factors and their respective contributions have been identified. Surprisingly little is known about fundamental details of many steps in HIV-1 replication, however. Important examples include (i) virus attachment and entry at the plasma membrane or from within the endosome in different target cells, (ii) timing and mechanisms of capsid uncoating, (iii) localisation, structure and composition of the genome replication complex and its conversion into the pre-integration complex, and (iv) induction and control of innate immunity. Accordingly, the early phase is probably the most enigmatic stage of HIV-1 replication.

Within this SFB initiative, we jointly plan to attain a comprehensive and quantitative understanding of HIV-1 – host interactions, focussing on the early phase in four highly connected projects addressing early entry and post-entry complexes (Kräusslich), nuclear transport of the pre-integration complex (Lemke) and dynamics of early events (Müller), and linking these with HIV-1 spread in more complex systems (Fackler).

In the current project, we plan to apply various advanced microscopic techniques (super-resolution and/or correlative light and electron microscopy) to define viral and cellular structures crucially involved in individual early HIV-1 replication steps on a single particle level with high spatial resolution in different physiologically relevant cell systems. These studies will greatly benefit from the Z-projects Schultz, Krijnse-Locker/Briggs and Hamprecht. Focussing in particular on the sequence of HIV-1-cell attachment, virus uptake and early post-entry stages will allow us to employ clearly defined markers for the identification of functionally relevant structures. Novel tools and technologies permit visualisation of these events and definition of the involved structures at unprecedented resolution as well as regarding their dynamic changes. HIV-1 uptake and infection show important differences in its main target cells (CD4+ T-cells, macrophages and dendritic cells), and comparative analyses are thus likely to yield important new insights. Furthermore, the main route of HIV-1 infection is believed to be cell-to-cell transmission through so-called virological synapses, while most current studies have focussed on infection by cell-free virus. Ultimately, virus replication and spread needs to be analysed in a complex multicellular three-dimensional environment at nanoscopic resolution including dynamic changes. This is the long-term goal of this project in close collaboration with other groups of the planned SFB.


HIV-1 Infektion und Replikation wurden in verschiedenen Zellkultursystemen und in primären Zellen untersucht. Diese Studien haben jedoch in den meisten Fällen Daten für gesamte Zellkulturen erhoben (Ensemble-Messungen), und es gibt derzeit fast keine Untersuchungen einzelner Ereignisse mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Zelluläre und virale makromolekulare Komplexe sind an allen Schritten der HIV-1 Replikation beteiligt; viele einzelne daran beteiligte Faktoren und deren Rolle wurden bereits identifiziert. Dennoch ist über viele grundlegende Details einzelner HIV-1 Replikationsschritte überraschend wenig bekannt. Wichtige Beispiele hierfür sind (i) Bindung des Virus an die Zelle und Eintritt an der Plasmamembran oder aus Endosomen in verschiedenen Zelltypen, (ii) Zeitverlauf und Mechanismus des Kapsidzerfalls in der Zielzelle, (iii) Lokalisation, Struktur und Zusammensetzung des viralen Genom-Replikationskomplexes und dessen Umwandlung in den Prä-Integrationskomplex und (iv) Induktion und Kontrolle der angeborenen Immunantwort gegen HIV-1. Entsprechend ist die frühe Phase der derzeit wohl am wenigsten verstandene Abschnitt des HIV-1 Replikationszyklus.

Im Rahmen dieser SFB Initiative wollen wir gemeinsam ein umfassendes quantitatives Verständnis von HIV-Wirts-Interaktionen erreichen, indem wir uns in vier eng verknüpften Projekten auf die frühe Phase des Replikationszyklus konzentrieren. Dabei betrachten wir makromolekulare Komplexe in der Eintrittsphase und der frühen Phase nach Zelleintritt (Kräusslich), Kerntransport des Prä-Integrationskomplexes (Lemke) und die Dynamik früher Replikationsereignisse (Müller), und verknüpfen diese hochauflösenden Analysen mit der Untersuchung der HIV-1 Ausbreitung in komplexeren Systemen (Fackler).

In diesem Teilprojekt planen wir, virale und zelluläre Komplexe, die entscheidend an den frühen HIV-1 Replikationsereignissen beteiligt sind, auf Einzelpartikelebene mit hoher räumlicher Auflösung in verschiedenen physiologisch relevanten Zelllinien zu charakterisieren. Hierzu werden wir verschiedene moderne Mikroskopie-Techniken (‚Super-resolution‘ Fluoreszenzmikroskopie und Korrelative Licht- und Elektronenmikroskopie) anwenden. Unsere Arbeiten werden daher sehr von den Z-Projekten Schultz, Krijnse-Locker/Briggs und Hamprecht profitieren. Die Konzentration auf die Schritte Zellanheftung, Virusaufnahme und frühe Ereignisse nach Zelleintritt ermöglicht es uns, klar definierte Marker zur Identifizierung funktionell relevanter Strukturen zu verwenden. Neue Reagenzien und Technologien erlauben die Visualisierung dieser Ereignisse und der daran beteiligten Strukturen mit bisher unerreichter räumlicher Auflösung und unter Einbeziehung dynamischer Veränderungen. Die Aufnahme von HIV-1 Partikeln und Infektion verläuft sehr unterschiedlich in den verschiedenen Haupt-Zielzellen (CD4+ T-Zellen, Makrophagen, Dendritische Zellen); vergleichende Studien sollten daher wichtige neue Erkenntnisse liefern. Darüber hinaus haben sich die meisten Untersuchungen bisher auf zellfreie Infektionen konzentriert, obwohl HIV-1 wohl hauptsächlich über Zell-Zell-Kontakte verbreitet wird. Letztendlich müssen die dynamischen Ereignisse des HIV-1 Replikationszyklus daher mit nanoskopischer Auflösung in einem komplexen multizellulären System analysiert werden. Dies ist das langfristige Ziel dieses Projektes, das wir in enger Kooperation mit anderen Gruppen im geplanten SFB verfolgen.


News

6 December 2016 | Dr. Susann Kummer honoured with the “Anita- und Friedrich-Reutner Award” for medical research

After a personalized introduction by her mentor Professor Dr. Kräusslich Dr. Susann Kummer received on Thursday, December 1st, the „Anita- und Friedrich-Reutner award for medical research” by the hands of the founders, Anita Reutner [...]

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Susann Kummer, PostDoc