Análisis de las propiedades dinámicas de los reservorios celulares del virus de inmunodeficiencia humana tipo 1

Resumen La infección por el virus de inmunodeficiencia humana (VIH) es uno de los problemas de salud pública más relevantes en la actualidad, debido a su falta de cura y alto costo de tratamiento. Históricamente la terapia antirretroviral ha empleado fármacos capaces de restringir el ciclo de vida del virus, con la intención de erradicarlo del organismo. Sin embargo, este enfoque terapéutico no ha podido eliminar al virus porque éste es capaz de formar reservorios en células auto-replicables de larga vida, como las células T CD4+ de memoria. Considerando esta problemática, en la década pasada se propuso que el uso de fármacos capaces de estimular la transcripción del provirus podría curar la infección, erradicando los reservorios de larga vida del VIH-1. Este tipo de compuestos, conocidos como “agentes reversores de la latencia” (LRAs), han dado muy buenos resultados para reactivar a los provirus latentes in vitro. Sin embargo, esto no ha ocurrido en observaciones in vivo y no se entiende el porqué. Se ha propuesto que existen mecanismos post-traduccionales implicados en el pobre desempeño de los LRAs pero hasta ahora no se ha podido determinar cuáles son estos mecanismos. En este trabajo de tesis doctoral se buscó comprender cuáles son las causas detrás de la falta de efectividad in vivo de los LRAs. Para ello, se representó en una red las principales interacciones a nivel molecular que regulan la latencia y la expresión génica del provirus en el interior de sus reservorios. A continuación se crearon dos modelos matemáticos, uno discreto basado en reglas lógicas y uno continuo basado en ecuaciones diferenciales ordinarias no-lineales. Ambos modelos predijeron que los LRAs más usados a nivel clínico y cuya función es inhibir a las histona deacetilasas (HDACs), promueven altos niveles de transcripción proviral y al mismo tiempo inducen la síntesis de RNAs virales no codificantes, mismos que funcionan como reguladores negativos de la traducción de proteínas virales. Este resultado explica la baja eficiencia de los LRAs observada in vivo a pesar de presentar altos niveles de síntesis de RNAs viral in vitro, marcador por excelencia de la reactivación viral. Adicionalmente, los modelos matemáticos desarrollados a partir de la red de expresión génica del provirus también se utilizaron para determinar si existen otras formas de estimular la reactivación del VIH usando LRAs disponibles a nivel clínico. Para esto se realizó un análisis de perturbaciones de la red con el cual se encontró que el uso de nuevos LRAs como los inhibidores de las histona metiltransferasas (HMTs) aplicados en tratamiento conjunto con los compuestos liberadores de P-TEFb son capaces de maximizar la reactivación de los reservorios virales. Por último el análisis de perturbación mostró que es más fácil silenciar permanentemente a la red genética del provirus antes que reactivarla, resultado que propone reconsiderar los fundamentos y la viabilidad de la estrategia de reversión de la latencia como enfoque terapéutico para curar la infección por VIH.

Abstract The human immunodeficiency virus (HIV) infection is currently one of the most relevant problems of public health, due to its lack of cure and the high treatment-associated costs. Historically, the antiretroviral therapy has used drugs capable to restrict the life cycle of the virus, with the aim of eradicating it. However, this therapeutic approach has not being able to eliminate the virus because of HIV establishes cell-reservoirs in long-live auto-replicative cells, such as memory CD4+ T-cells. Considering this problem, in the last decade it was proposed that drugs able to stimulate provirus transcription could cure the infection by eradicating HIV-1 reservoirs. This type of compounds are known as “latency reversing agents” (LRAs), and they have a notable good performance in vitro. Nevertheless, this has not occurred in vivo and there is not clear why. In order to explain the poor performance of LRAs in vivo, it has been proposed that many post-traductional mechanisms are implicated, but it still remains unclear which are those mechanisms. In this doctoral thesis the causes of the poor performance of LRAs observed in vivo has been investigated. To this end, the main molecular interactions that control latency and gene expression of provirus inside its reservoirs has been represented into a network. After that we created two mathematical models, a discrete one based on logic rules and a continuous one based on non-linear differential equations. Both models predicted that the most clinically used LRAs, which function consists in inhibiting the histone-deacetylases (HDACs), promotes high levels of proviral transcription and at the same time induce the sythesis of non-coding viral RNAs, which are negative regulators of provirus’ translation. This result explains the low performance of LRAs reported in vivo despite the high levels of proviral transcription observed in vitro, which is a well-known marker of reactivation. Furthermore, the models developed from the gene expression network of the provirus were also used to determine whether exist other forms to stimulate HIV reactivation with LRAs clinically available. In order to achieve this goal, we performed a perturbation analysis of the network, which revealed that the use of new LRAs, such as histone-methyltransferases (HMTs) inhibitors, together with releasers of P-TEFb are able to maximize reactivation of viral reservoirs. Finally, perturbation analysis showed that it is easier to silence permanently the provirus gene expression than to reactivate it, result that proposes to reconsider the fundamentals and the viability of the latency reversion strategy as a therapeutic approach to cure HIV infection.