The major structural elements of retroviruses are contained in a single polyprotein, Gag, which in human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) comprises the MA, CA, spacer peptide 1 (SP1), NC, SP2, and p6 polypeptides. In the immature HIV-1 virion, the domains of Gag are arranged radially with the N-terminal MA domain at the membrane and C-terminal NC-SP2-p6 region nearest to the center. Here, we report the three-dimensional structures of individual immature HIV-1 virions, as obtained by electron cryotomography. The concentric shells of the Gag polyprotein are clearly visible, and radial projections of the different Gag layers reveal patches of hexagonal order within the CA and SP1 shells. Averaging well-ordered unit cells leads to a model in which each CA hexamer is stabilized by a bundle of six SP1 helices. This model suggests why the SP1 spacer is essential for assembly of the Gag lattice and how cleavage between SP1 and CA acts as a structural switch controlling maturation.

Designing prefusion-stabilized SARS-CoV-2 spike is critical for the effectiveness of COVID-19 vaccines. All COVID-19 vaccines in the US encode spike with K986P/V987P mutations to stabilize its prefusion conformation. However, contemporary methods on engineering prefusion-stabilized spike immunogens involve tedious experimental work and heavily rely on structural information. Here, we established a systematic and unbiased method of identifying mutations that concomitantly improve expression and stabilize the prefusion conformation of the SARS-CoV-2 spike. Our method integrated a fluorescence-based fusion assay, mammalian cell display technology, and deep mutational scanning. As a proof-of-concept, this method was applied to a region in the S2 domain that includes the first heptad repeat and central helix. Our results revealed that besides K986P and V987P, several mutations simultaneously improved expression and significantly lowered the fusogenicity of the spike. As prefusion stabilization is a common challenge for viral immunogen design, this work will help accelerate vaccine development against different viruses.

ABSTRACT Increasing the expression level of the SARS-CoV-2 spike (S) protein has been critical for COVID-19 vaccine development. While previous efforts largely focused on engineering the receptor-binding domain (RBD) and the S2 subunit, the N-terminal domain (NTD) has been long overlooked due to the limited understanding of its biophysical constraints. In this study, the effects of thousands of NTD single mutations on S protein expression were quantified by deep mutational scanning. Our results revealed that in terms of S protein expression, the mutational tolerability of NTD residues was inversely correlated with their proximity to the RBD and S2. We also identified NTD mutations at the interdomain interface that increased S protein expression without altering its antigenicity. Overall, this study not only advances the understanding of the biophysical constraints of the NTD, but also provides invaluable insights into S-based immunogen design.

Abstract Human Immunodeficiency Virus (HIV) latency regulation in monocytes and macrophages can vary according to signals directing differentiation, polarization, and function. To investigate these processes, we generated an HIV latency model in THP-1 monocytes and showed differential levels of HIV reactivation among clonal populations. Monocyte-to-macrophage differentiation of HIV-infected primary human CD14+ and THP-1 cells induced HIV reactivation and showed that virus production increased concomitant with macrophage differentiation. We applied the HIV-infected THP-1 monocyte-to- macrophage (MLat) model to assess the biological mechanisms regulating HIV latency dynamics during monocyte-to-macrophage differentiation. We pinpointed PKC signaling pathway activation and Cyclin T1 upregulation as inherent differentiation mechanisms that regulate HIV latency reactivation. Macrophage polarization regulated latency, revealing pro-inflammatory M1 macrophages suppressed HIV reactivation while M2 macrophages promoted HIV reactivation. Because macrophages rely on reactive- oxygen species (ROS) to exert numerous cellular functions, we disrupted redox pathways and discovered that inhibitors of the thioredoxin (Trx) system acted as latency promoting agents (LPAs) in T-cells and monocytes, but opposingly acted as latency reversing agents (LRAs) in macrophages. We explored this mechanism with Auranofin, a clinical candidate for reducing HIV reservoirs, and demonstrated Trx reductase (TrxR) inhibition led to ROS induced NF-κB activity, which promoted HIV reactivation in macrophages, but not in T-cells and monocytes. Collectively, cell type-specific differences in HIV latency regulation could pose a barrier to HIV eradication strategies.

Abstract Engineered red blood cells (RBCs) expressing viral receptors could be used therapeutically as viral traps as RBCs lack nuclei and other organelles required for viral replication. Here we show that the combination of a powerful erythroid-specific expression system and transgene codon optimization yields high expression levels of the HIV-1 receptors CD4 and CCR5, as well as a CD4-glycophorin A (CD4-GpA) fusion protein on enucleated RBCs. Engineered RBCs expressing CD4 and CCR5 were efficiently infected by HIV-1, but CD4 or CD4-GpA expression in the absence of CCR5 was sufficient to potently neutralize HIV-1 in vitro. To facilitate continuous large-scale production of engineered RBCs, we generated erythroblast cell lines stably expressing CD4-GpA or ACE2-GpA fusion proteins, which produced potent RBC viral traps against HIV-1 and SARS-CoV-2. Our results suggest that this approach warrants further investigation as a potential treatment against viral infections.

Non-invasive bioluminescent imaging (NIBLI) of HIV-1 infection dynamics allows for real-time monitoring of viral spread and the localization of infected cell populations in living animals. In this report, we describe full-length replication-competent GFP and Nanoluciferase (Nluc) expressing HIV-1 reporter viruses from two clinical transmitted / founder (T/F) stains: TRJO.c and Q23.BG505. By infecting humanized mice with these HIV-1 T/F reporter viruses, we were able to directly monitor longitudinal viral spread at whole-animal resolution via NIBLI at a sensitivity of as few as 30-50 infected cells. Bioluminescent signal strongly correlated with HIV-1 infection and responded proportionally to virus suppression in vivo in animals treated daily with a combination antiretroviral therapy (cART) regimen. Longitudinal NIBLI following cART withdrawal visualized tissue-sites that harbored virus during infection recrudescence. Notably, we observed rebounding infection in the same lymphoid tissues where infection was first observed prior to ART treatment. Our work demonstrates the utility of our system for studying in vivo viral infection dynamics and identifying infected tissue regions for subsequent analyses.