Following some high-profile clinical trial failures in recent years, the emphasis in HIV/AIDS vaccine research has shifted away from T-cell-based vaccines that control viral replication towards vaccines that block acquisition of infection. Hansen et al. take a novel route to T-cell-based immunity, using cytomegalovirus (CMV) vectors. They find that vaccination with a rhesus-CMV-based vaccine against simian immunodeficiency virus (SIV) provides long-term protection from SIV challenge in rhesus macaques. Protection seems to be mediated by tissue-resident T-effector memory responses, suggesting that persistent vectors such as CMV may be effective in HIV/AIDS vaccines. The acquired immunodeficiency syndrome (AIDS)-causing lentiviruses human immunodeficiency virus (HIV) and simian immunodeficiency virus (SIV) effectively evade host immunity and, once established, infections with these viruses are only rarely controlled by immunological mechanisms1,2,3. However, the initial establishment of infection in the first few days after mucosal exposure, before viral dissemination and massive replication, may be more vulnerable to immune control4. Here we report that SIV vaccines that include rhesus cytomegalovirus (RhCMV) vectors5 establish indefinitely persistent, high-frequency, SIV-specific effector memory T-cell (TEM) responses at potential sites of SIV replication in rhesus macaques and stringently control highly pathogenic SIVMAC239 infection early after mucosal challenge. Thirteen of twenty-four rhesus macaques receiving either RhCMV vectors alone or RhCMV vectors followed by adenovirus 5 (Ad5) vectors (versus 0 of 9 DNA/Ad5-vaccinated rhesus macaques) manifested early complete control of SIV (undetectable plasma virus), and in twelve of these thirteen animals we observed long-term (≥1 year) protection. This was characterized by: occasional blips of plasma viraemia that ultimately waned; predominantly undetectable cell-associated viral load in blood and lymph node mononuclear cells; no depletion of effector-site CD4+ memory T cells; no induction or boosting of SIV Env-specific antibodies; and induction and then loss of T-cell responses to an SIV protein (Vif) not included in the RhCMV vectors. Protection correlated with the magnitude of the peak SIV-specific CD8+ T-cell responses in the vaccine phase, and occurred without anamnestic T-cell responses. Remarkably, long-term RhCMV vector-associated SIV control was insensitive to either CD8+ or CD4+ lymphocyte depletion and, at necropsy, cell-associated SIV was only occasionally measurable at the limit of detection with ultrasensitive assays, observations that indicate the possibility of eventual viral clearance. Thus, persistent vectors such as CMV and their associated TEM responses might significantly contribute to an efficacious HIV/AIDS vaccine.

Issue:Vaccines that induce T cell responses to simian immunodeficiency virus are able to reduce virus load in infected macaques. Such vaccines typically induce central memory T cells that must expand before gaining full antiviral functions. Picker and his colleagues show that a new replicating anti-SIV vaccine, based on the persistently infecting cytomegalovirus, which preferentially induces effector memory T cells in mucosal tissues, can reduce the likelihood that the macaques become infected in the first place ( pages 244–246 ). The rapid onset of massive, systemic viral replication during primary HIV or simian immunodeficiency virus (SIV) infection and the immune evasion capabilities of these viruses pose fundamental problems for vaccines that depend upon initial viral replication to stimulate effector T cell expansion and differentiation1,2,3,4,5. We hypothesized that vaccines designed to maintain differentiated effector memory T cell (TEM cell) responses5,6 at viral entry sites might improve efficacy by impairing viral replication at its earliest stage2, and we have therefore developed SIV protein-encoding vectors based on rhesus cytomegalovirus (RhCMV), the prototypical inducer of life-long TEM cell responses7,8,9. RhCMV vectors expressing SIV Gag, Rev-Tat-Nef and Env persistently infected rhesus macaques, regardless of preexisting RhCMV immunity, and primed and maintained robust, SIV-specific CD4+ and CD8+ TEM cell responses (characterized by coordinate tumor necrosis factor, interferon-γ and macrophage inflammatory protein-1β expression, cytotoxic degranulation and accumulation at extralymphoid sites) in the absence of neutralizing antibodies. Compared to control rhesus macaques, these vaccinated rhesus macaques showed increased resistance to acquisition of progressive SIVmac239 infection upon repeated limiting-dose intrarectal challenge, including four macaques who controlled rectal mucosal infection without progressive systemic dissemination. These data suggest a new paradigm for AIDS vaccine development—vaccines capable of generating and maintaining HIV-specific TEM cells might decrease the incidence of HIV acquisition after sexual exposure.

Cellular immune responses in rhesus macaques (Macaca mulatta) vaccinated with cytomegalovirus vectors expressing SIV proteins are able to stringently control highly pathogenic SIV infection, regardless of the route of challenge, after systemic spread; immunological and virological analyses of protected macaques followed for up to 3 years suggest that persistent immune surveillance by vaccine-elicited immune responses may have cleared the infection. Work on potential vaccines against human immunodeficiency viruses (HIV) and the simian equivalent (SIV) has so far proved largely fruitless. This study makes some progress by exploiting the recent observation that the pathogens appear vulnerable to immune control or pharmacological clearance in the first few hours to days of infection. Rhesus macaques vaccinated with SIV protein-expressing rhesus cytomegalovirus (RhCMV/SIV) vectors developed durable resistance to the highly pathogenic SIVmac239 after challenge by vaginal and intravenous routes. Some of the vaccinated animals have controlled viral replication for 1 to 3 years with no demonstrable evidence for residual virus, raising the possibility that the vaccine- elicited immune responses may in fact have cleared the initial infection. Established infections with the human and simian immunodeficiency viruses (HIV and SIV, respectively) are thought to be permanent with even the most effective immune responses and antiretroviral therapies only able to control, but not clear, these infections1,2,3,4. Whether the residual virus that maintains these infections is vulnerable to clearance is a question of central importance to the future management of millions of HIV-infected individuals. We recently reported that approximately 50% of rhesus macaques (RM; Macaca mulatta) vaccinated with SIV protein-expressing rhesus cytomegalovirus (RhCMV/SIV) vectors manifest durable, aviraemic control of infection with the highly pathogenic strain SIVmac239 (ref. 5). Here we show that regardless of the route of challenge, RhCMV/SIV vector-elicited immune responses control SIVmac239 after demonstrable lymphatic and haematogenous viral dissemination, and that replication-competent SIV persists in several sites for weeks to months. Over time, however, protected RM lost signs of SIV infection, showing a consistent lack of measurable plasma- or tissue-associated virus using ultrasensitive assays, and a loss of T-cell reactivity to SIV determinants not in the vaccine. Extensive ultrasensitive quantitative PCR and quantitative PCR with reverse transcription analyses of tissues from RhCMV/SIV vector-protected RM necropsied 69–172 weeks after challenge did not detect SIV RNA or DNA sequences above background levels, and replication-competent SIV was not detected in these RM by extensive co-culture analysis of tissues or by adoptive transfer of 60 million haematolymphoid cells to naive RM. These data provide compelling evidence for progressive clearance of a pathogenic lentiviral infection, and suggest that some lentiviral reservoirs may be susceptible to the continuous effector memory T-cell-mediated immune surveillance elicited and maintained by cytomegalovirus vectors.

CMV Breaks All the Rules One vaccine strategy being pursued against HIV is to generate protection that is dependent on cell-mediated, rather than humoral, immune responses. A cytomegalovirus (CMV)–vectored vaccine that expresses simian immunodeficiency virus (SIV) antigens exhibits stringent and durable viral control upon SIV challenge in approximately half of vaccinated rhesus macaques. Hansen et al. ( 10.1126/science.1237874 , see the Perspective by Goonetilleke and McMichael ) sought to determine the basis for the protection and discovered that the CD8 + T cell response in vaccinated monkeys does not target canonical SIV epitopes, which SIV is known to escape, but rather generates a broad, promiscuous response.

Abstract The lipid molecule phosphatidylinositol (4,5)-bisphosphate (PI(4,5)P 2 ) controls all aspects of plasma membrane (PM) function in animal cells, from its selective permeability to the attachment of the cytoskeleton. Although disruption of PI(4,5)P 2 is associated with a wide range of diseases, it remains unclear how cells sense and maintain PI(4,5)P 2 levels to support various cell functions. Here, we show that the PIP4K family of enzymes that synthesize PI(4,5)P 2 via a minor pathway, also function as sensors of tonic PI(4,5)P 2 levels. PIP4Ks are recruited to the PM by elevated PI(4,5)P 2 levels, where they inhibit the major PI(4,5)P 2 -synthesizing PIP5Ks. Perturbation of this simple homeostatic mechanism reveals differential sensitivity of PI(4,5)P 2 -dependent signaling to elevated PI(4,5)P 2 levels. These findings reveal that a subset of PI(4,5)P 2 -driven functions may drive disease associated with disrupted PI(4,5)P 2 homeostasis. One-Sentence Summary The enzyme PIP4K functions as both a sensor and negative regulator of PI(4,5)P 2 synthesis by the closely related PIP5K enzymes, tuning the activity of numerous membrane functions.

Abstract Strain 68-1 rhesus cytomegalovirus (RhCMV) vectors expressing simian immunodeficiency virus (SIV) antigens elicit CD8 + T cells that recognize peptide epitopes presented by major histocompatibility complex (MHC)-II and MHC-E molecules, instead of MHC-Ia, and are uniquely able to mediate stringent control and subsequent clearance of highly pathogenic SIV in ∼50% of vaccinated rhesus macaques (RMs). We show that the MHC-E ligand VMAPRTLLL (VL9), encoded by the Rh67 gene (or its HCMV UL40 counterpart) is required for recognition of RhCMV-infected fibroblasts by MHC-E-restricted CD8 + T cells via its ability to promote intracellular MHC-E transport. Moreover, deletion of Rh67 from 68-1 RhCMV/SIV vectors, or mutation of its embedded VL9 ligand, abrogated induction of MHC-E-restricted CD8 + T cell responses, leaving responses that exclusively target MHC-II-restricted epitopes. These MHC-II-presented CD8 + T cell responses, though comparable in response magnitude and functional differentiation to responses arising from the efficacious 68-1 vector, did not protect RMs against SIV challenge, indicating that Rh67/UL40-enabled direct priming of MHC-E-targeted CD8 + T cells is a crucial element of RhCMV/SIV vaccine efficacy. One Sentence Summary A cytomegalovirus protein (Rh67/UL40) that upregulates MHC-E expression on RhCMV/SIV-vector infected cells is required for induction of MHC-E-restricted CD8 + T cells and for protection against SIV.

Abstract Simian immunodeficiency virus (SIV) insert-expressing, 68-1 Rhesus Cytomegalovirus (RhCMV/SIV) vectors elicit major histocompatibility complex (MHC)-E- and -II-restricted, SIV-specific CD8 + T cell responses, but the basis of these unconventional responses and their contribution to demonstrated vaccine efficacy against SIV challenge in the rhesus monkeys (RMs) has not been characterized. We demonstrate that these unconventional responses resulted from a chance genetic rearrangement in 68-1 RhCMV that abrogated the function of eight distinct immunomodulatory gene products encoded in two RhCMV genomic regions (Rh157.5/.4 and Rh158-161). Differential repair of these genes with either RhCMV-derived or orthologous human CMV (HCMV)-derived sequences (UL128/130; UL146/147) leads to either of two distinct CD8 + T cell response types – MHC-Ia-restricted-only, or a mix of MHC-II- and MHC-Ia-restricted CD8 + T cells. Despite response magnitude and functional differentiation being similar to RhCMV 68-1, neither alternative response type mediated protection against SIV challenge. These findings implicate MHC-E-restricted CD8 + T cell responses as mediators of anti-SIV efficacy and indicate that translation of RhCMV/SIV vector efficacy to humans will likely require deletion of all the genes that inhibit these responses from the HCMV/HIV vector. One-sentence summary Eight genes in two spatially distinct RhCMV gene regions control induction of unconventionally restricted CD8 + T cell responses and the efficacy of RhCMV/SIV vaccine vectors against SIV challenge.

Human cytomegalovirus (HCMV) encodes four viral Fc-gamma receptors (vFcγRs) that counteract antibody-mediated activation

Abstract Simian immunodeficiency virus (SIV) challenge of rhesus macaques (RMs) vaccinated with Rhesus Cytomegalovirus (RhCMV) vectors expressing SIV proteins (RhCMV/SIV) results in a binary outcome: stringent control and subsequent clearance of highly pathogenic SIV in ~55% of vaccinated RMs with no protection in the remaining 45%. Although previous work suggests that unconventionally restricted, SIV-specific, effector-memory (EM)-biased CD8 + T cell responses are necessary for efficacy, the magnitude of these responses does not predict efficacy, and the basis of protection vs. non-protection in RhCMV/SIV vector-vaccinated RMs has not been elucidated. Here, we report that RhCMV/SIV vector administration strikingly alters the whole blood transcriptome of vaccinated RMs, with the sustained induction of specific immune-related pathways, including non-canonical T cell receptor (TCR), toll-lie receptor (TLR), inflammasome/cell death, and interleukin-15 (IL-15) signaling, significantly predicting protection. The IL-15 gene expression signature was further evaluated in an independent RM IL-15 treatment cohort, revealing that in whole blood the response to IL-15 is inclusive of innate and adaptive immune gene expression networks that link with RhCMV/SIV vaccine efficacy. We also show that this IL-15 response signature similarly tracks with vaccine protection in an independent RhCMV/SIV vaccination/SIV challenge RM validation cohort. Thus, the RhCMV/SIV vaccine imparts a coordinated and persistent induction of innate and adaptive immune pathways featuring IL-15, a known regulator of CD8 + T cell function, that enable vaccine-elicited CD8 + T cells to mediate protection against highly pathogenic SIV challenge. Author Summary SIV insert-expressing vaccine vectors based on strain 68-1 RhCMV elicit robust, highly effector-memory-biased T cell responses that are associated with an unprecedented level of SIV control after challenge (replication arrest leading to clearance) in slightly over half of vaccinated monkeys. Since efficacy is not predicted by standard measures of immunogenicity, we used functional genomics analysis of RhCMV/SIV vaccinated monkeys with known challenge outcomes to identify immune correlates of protection. We found that arrest of viral replication after challenge significantly correlates with a vaccine-induced response to IL-15 that includes modulation of T cell, inflammation, TLR signaling, and cell death programming. These data suggest that RhCMV/SIV efficacy is not based on chance, but rather, results from a coordinated and sustained vaccine-mediated induction of innate and adaptive immune pathways featuring IL-15, a known regulator of CD8 + effector-memory T cell function, that enable vaccine-elicited CD8 + T cells to mediate efficacy.