Designer Anti-HIV Developing a protective HIV vaccine remains a top global health priority. One strategy to identify potential vaccine candidates is to isolate broadly neutralizing antibodies from infected individuals and then attempt to elicit the same antibody response through vaccination (see the Perspective by Burton and Weiss ). Wu et al. (p. 856 , published online 8 July) now report the identification of three broadly neutralizing antibodies, isolated from an HIV-1–infected individual, that exhibited great breadth and potency of neutralization and were specific for the co-receptor CD4-binding site of the glycoprotein 120 (gp120), part of the viral Env spike. Zhou et al. (p. 811 , published online 8 July) analyzed the crystal structure for one of these antibodies, VRC01, in complex with an HIV-1 gp120. VRC01 focuses its binding onto a conformationally invariant domain that is the site of initial CD4 attachment, which allows the antibody to overcome the glycan and conformational masking that diminishes the neutralization potency of most CD4-binding-site antibodies. The epitopes recognized by these antibodies suggest potential immunogens that can inform vaccine design.

Anti-HIV broadly neutralizing antibodies with similar specificities and modes of binding were found in multiple HIV-infected individuals.

A phase I study of passive immunization with a CD4 binding-site-directed broadly neutralizing antibody shows that it transiently reduces HIV-1 viral loads in humans. The passive administration of broadly neutralizing antibodies (bNAbs) to HIV has been effective against HIV-1 infection in humanized mice and macaque models of HIV-1 infection. It has been suggested that bNAbs, administered passively or by viral vectors, may be effective for prevention and immunotherapy in humans. The safety and efficacy of the approach had not been tested in humans previously but here Michel Nussenzweig and colleagues report the results of a phase I study of passive immunization with neutralizing antibodies directed at CD4 binding sites, and show that the treatment transiently reduces HIV viral loads in humans. HIV-1 immunotherapy with a combination of first generation monoclonal antibodies was largely ineffective in pre-clinical and clinical settings and was therefore abandoned1,2,3. However, recently developed single-cell-based antibody cloning methods have uncovered a new generation of far more potent broadly neutralizing antibodies to HIV-1 (refs 4, 5). These antibodies can prevent infection and suppress viraemia in humanized mice and nonhuman primates, but their potential for human HIV-1 immunotherapy has not been evaluated6,7,8,9,10. Here we report the results of a first-in-man dose escalation phase 1 clinical trial of 3BNC117, a potent human CD4 binding site antibody11, in uninfected and HIV-1-infected individuals. 3BNC117 infusion was well tolerated and demonstrated favourable pharmacokinetics. A single 30 mg kg−1 infusion of 3BNC117 reduced the viral load in HIV-1-infected individuals by 0.8–2.5 log10 and viraemia remained significantly reduced for 28 days. Emergence of resistant viral strains was variable, with some individuals remaining sensitive to 3BNC117 for a period of 28 days. We conclude that, as a single agent, 3BNC117 is safe and effective in reducing HIV-1 viraemia, and that immunotherapy should be explored as a new modality for HIV-1 prevention, therapy and cure.

The restricted neutralization breadth of vaccine-elicited antibodies is a major limitation of current human immunodeficiency virus-1 (HIV-1) candidate vaccines. In order to permit the efficient identification of vaccines with enhanced capacity for eliciting cross-reactive neutralizing antibodies (NAbs) and to assess the overall breadth and potency of vaccine-elicited NAb reactivity, we assembled a panel of 109 molecularly cloned HIV-1 Env pseudoviruses representing a broad range of genetic and geographic diversity. Viral isolates from all major circulating genetic subtypes were included, as were viruses derived shortly after transmission and during the early and chronic stages of infection. We assembled a panel of genetically diverse HIV-1-positive (HIV-1(+)) plasma pools to assess the neutralization sensitivities of the entire virus panel. When the viruses were rank ordered according to the average sensitivity to neutralization by the HIV-1(+) plasmas, a continuum of average sensitivity was observed. Clustering analysis of the patterns of sensitivity defined four subgroups of viruses: those having very high (tier 1A), above-average (tier 1B), moderate (tier 2), or low (tier 3) sensitivity to antibody-mediated neutralization. We also investigated potential associations between characteristics of the viral isolates (clade, stage of infection, and source of virus) and sensitivity to NAb. In particular, higher levels of NAb activity were observed when the virus and plasma pool were matched in clade. These data provide the first systematic assessment of the overall neutralization sensitivities of a genetically and geographically diverse panel of circulating HIV-1 strains. These reference viruses can facilitate the systematic characterization of NAb responses elicited by candidate vaccine immunogens.

Human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1)-specific monoclonal antibodies with extraordinary potency and breadth have recently been described. In humanized mice, combinations of monoclonal antibodies have been shown to suppress viraemia, but the therapeutic potential of these monoclonal antibodies has not yet been evaluated in primates with an intact immune system. Here we show that administration of a cocktail of HIV-1-specific monoclonal antibodies, as well as the single glycan-dependent monoclonal antibody PGT121, resulted in a rapid and precipitous decline of plasma viraemia to undetectable levels in rhesus monkeys chronically infected with the pathogenic simian-human immunodeficiency virus SHIV-SF162P3. A single monoclonal antibody infusion afforded up to a 3.1 log decline of plasma viral RNA in 7 days and also reduced proviral DNA in peripheral blood, gastrointestinal mucosa and lymph nodes without the development of viral resistance. Moreover, after monoclonal antibody administration, host Gag-specific T-lymphocyte responses showed improved functionality. Virus rebounded in most animals after a median of 56 days when serum monoclonal antibody titres had declined to undetectable levels, although, notably, a subset of animals maintained long-term virological control in the absence of further monoclonal antibody infusions. These data demonstrate a profound therapeutic effect of potent neutralizing HIV-1-specific monoclonal antibodies in SHIV-infected rhesus monkeys as well as an impact on host immune responses. Our findings strongly encourage the investigation of monoclonal antibody therapy for HIV-1 in humans.

Broadly neutralizing HIV antibodies (bNAbs) can recognize carbohydrate-dependent epitopes on gp120. In contrast to previously characterized glycan-dependent bNAbs that recognize high-mannose N -glycans, PGT121 binds complex-type N -glycans in glycan microarrays. We isolated the B-cell clone encoding PGT121, which segregates into PGT121-like and 10-1074–like groups distinguished by sequence, binding affinity, carbohydrate recognition, and neutralizing activity. Group 10-1074 exhibits remarkable potency and breadth but no detectable binding to protein-free glycans. Crystal structures of unliganded PGT121, 10-1074, and their likely germ-line precursor reveal that differential carbohydrate recognition maps to a cleft between complementarity determining region (CDR)H2 and CDRH3. This cleft was occupied by a complex-type N -glycan in a “liganded” PGT121 structure. Swapping glycan contact residues between PGT121 and 10-1074 confirmed their importance for neutralization. Although PGT121 binds complex-type N -glycans, PGT121 recognized high-mannose-only HIV envelopes in isolation and on virions. As HIV envelopes exhibit varying proportions of high-mannose- and complex-type N -glycans, these results suggest promiscuous carbohydrate interactions, an advantageous adaptation ensuring neutralization of all viruses within a given strain.

Broadly neutralizing antibodies (bNAbs) to HIV-1 can prevent infection and are therefore of great importance for HIV-1 vaccine design. Notably, bNAbs are highly somatically mutated and generated by a fraction of HIV-1-infected individuals several years after infection. Antibodies typically accumulate mutations in the complementarity determining region (CDR) loops, which usually contact the antigen. The CDR loops are scaffolded by canonical framework regions (FWRs) that are both resistant to and less tolerant of mutations. Here, we report that in contrast to most antibodies, including those with limited HIV-1 neutralizing activity, most bNAbs require somatic mutations in their FWRs. Structural and functional analyses reveal that somatic mutations in FWR residues enhance breadth and potency by providing increased flexibility and/or direct antigen contact. Thus, in bNAbs, FWRs play an essential role beyond scaffolding the CDR loops and their unusual contribution to potency and breadth should be considered in HIV-1 vaccine design.

Steps in the right direction HIV-1 mutates rapidly, making it difficult to design a vaccine that will protect people against all of the virus' iterations. A potential successful vaccine design might protect by eliciting broadly neutralizing antibodies (bNAbs), which target specific regions on HIV-1's trimeric envelope glycoprotein (Env) (see the Perspective by Mascola). Jardine et al. used mice engineered to express germline-reverted heavy chains of a particular bNAb and immunized them with an Env-based immunogen designed to bind to precursors of that bNAb. Sanders et al. compared rabbits and monkeys immunized with Env trimers that adopt a nativelike conformation. In both cases, immunized animals produced antibodies that shared similarities with bNAbs. Boosting these animals with other immunogens may drive these antibodies to further mutate into the longsought bNAbs. Chen et al. report that retaining the cytoplasmic domain of Env proteins may be important to attract bNAbs. Removing the cytoplasmic domain may distract the immune response and instead generate antibodies that target epitopes on Env that would not lead to protection. Science , this issue p. 139 , 10.1126/science.aac4223 , p. 156 ; see also p. 191