The precise identification of the HIV-1 envelope glycoprotein (Env) responsible for productive clinical infection could be instrumental in elucidating the molecular basis of HIV-1 transmission and in designing effective vaccines. Here, we developed a mathematical model of random viral evolution and, together with phylogenetic tree construction, used it to analyze 3,449 complete env sequences derived by single genome amplification from 102 subjects with acute HIV-1 (clade B) infection. Viral env genes evolving from individual transmitted or founder viruses generally exhibited a Poisson distribution of mutations and star-like phylogeny, which coalesced to an inferred consensus sequence at or near the estimated time of virus transmission. Overall, 78 of 102 subjects had evidence of productive clinical infection by a single virus, and 24 others had evidence of productive clinical infection by a minimum of two to five viruses. Phenotypic analysis of transmitted or early founder Envs revealed a consistent pattern of CCR5 dependence, masking of coreceptor binding regions, and equivalent or modestly enhanced resistance to the fusion inhibitor T1249 and broadly neutralizing antibodies compared with Envs from chronically infected subjects. Low multiplicity infection and limited viral evolution preceding peak viremia suggest a finite window of potential vulnerability of HIV-1 to vaccine-elicited immune responses, although phenotypic properties of transmitted Envs pose a formidable defense.

Abstract HIV cure strategies that aim to induce viral reactivation for immune clearance leverage latency reversal agents to modulate host pathways which directly or indirectly facilitate viral reactivation. Inhibition of BET (bromo and extra-terminal domain) family member BRD4 reverses HIV latency, but enthusiasm for the use of BET inhibitors in HIV cure studies is tempered by concerns over inhibition of other BET family members and dose-limiting toxicities in oncology trials. Here we evaluated the potential for bivalent chemical degraders targeted to the BET family as alternative latency reversal agents. We observed that despite highly potent and selective BRD4 degradation in primary CD4+ T-cells from ART-suppressed donors, BRD4 degraders failed to induce latency reversal as compared to BET inhibitors. Further, BRD4 degraders failed to mimic previously observed synergistic HIV reactivation between BET inhibitors and an activator of the non-canonical NF-κB pathway. Mechanistic investigation of this discrepancy revealed that latency reversal by BET inhibitors is not related to the abatement of competition between Tat and BRD4 for P-TEFb, but rather the ability of BRD4 to disrupt 7SK and increase the levels of free P-TEFb. This activity is dependent on the shift of BRD4 from chromatin-bound to soluble and retargeting of P-TEFb to chromatin which is dependent on intact BRD4 but independent of the bromodomains.

ABSTRACT Limited cellular levels of the HIV transcriptional activator Tat are one contributor to proviral latency that might be targeted in HIV cure strategies. We recently demonstrated that lipid nanoparticles containing HIV tat mRNA induce HIV expression in primary CD4 T cells. Here, we sought to further characterize tat mRNA in the context of several benchmark latency reversal agents (LRAs), including inhibitor of apoptosis protein antagonists (IAPi), bromodomain and extra-Terminal motif inhibitors (BETi), and histone deacetylase inhibitors (HDACi). tat mRNA reversed latency across several different cell line models of HIV latency, an effect dependent on the TAR hairpin loop. Synergistic enhancement of tat mRNA activity was observed with IAPi, HDACi, and BETi, albeit to variable degrees. In primary CD4 T cells from durably suppressed people with HIV, tat mRNA profoundly increased the frequencies of elongated, multiply-spliced, and polyadenylated HIV transcripts, while having a lesser impact on TAR transcript frequencies. tat mRNAs alone resulted in variable HIV p24 protein induction across donors. However, tat mRNA in combination with IAPi, BETi, or HDACi markedly enhanced HIV RNA and protein expression without overt cytotoxicity or cellular activation. Notably, combination regimens approached or in some cases exceeded the latency reversal activity of maximal mitogenic T cell stimulation. Higher levels of tat mRNA-driven HIV p24 induction were observed in donors with larger mitogen-inducible HIV reservoirs, and expression increased with prolonged exposure time. Combination LRA strategies employing both small molecule inhibitors and Tat delivered to CD4 T cells are a promising approach to effectively target the HIV reservoir.

The latent HIV reservoir is a major barrier to HIV cure. Combining latency reversal agents (LRAs) with differing mechanisms of action such as AZD5582, a non-canonical NF-kB activator, and I-BET151, a bromodomain inhibitor is appealing towards inducing HIV-1 reactivation. However, even this LRA combination needs improvement as it is inefficient at activating proviruses in cells from people living with HIV (PLWH). We performed a CRISPR screen in conjunction with AZD5582 & I-BET151 and identified a member of the Integrator complex as a target to improve this LRA combination, specifically Integrator complex subunit 12 (INTS12). Integrator functions as a genome-wide attenuator of transcription that acts on elongation through its RNA cleavage and phosphatase modules. Knockout of INTS12 in improved latency reactivation at the transcriptional level and is more specific to the HIV-1 provirus than AZD5582 & I-BET151 treatment alone. We found that INTS12 is present on chromatin at the promoter of HIV and therefore its effect on HIV may be direct. Additionally, we observed more RNAPII in the gene body of HIV only with the combination of INTS12 knockout with AZD5582 & I-BET151, indicating that INTS12 induces a transcriptional elongation block to viral reactivation. Moreover, knockout of INTS12 increased HIV-1 reactivation in CD4 T cells from virally suppressed PLWH ex vivo. We also detected viral RNA in the supernatant from CD4 T cells of all three virally suppressed PLWH tested upon INTS12 knockout suggesting that INTS12 prevents full-length HIV RNA production in primary T cells.

Antiretroviral therapy (ART) is not curative due to the existence of cellular reservoirs of latent HIV-1 that persist during therapy. Current research efforts to cure HIV-1 infection include "shock and kill" strategies to disrupt latency using small molecules or latency-reversing agents (LRAs) to induce expression of HIV-1 enabling cytotoxic immune cells to eliminate infected cells. The modest success of current LRAs urges the field to identify novel drugs with increased clinical efficacy. Aminobisphosphonates (N-BPs) that include pamidronate, zoledronate, or alendronate, are the first-line treatment of bone-related diseases including osteoporosis and bone malignancies. Here, we show the use of N-BPs as a novel class of LRA: we found in ex vivo assays using primary cells from ART-suppressed people living with HIV-1 that N-BPs induce HIV-1 from latency to levels that are comparable to the T cell activator phytohemagglutinin (PHA). RNA sequencing and mechanistic data suggested that reactivation may occur through activation of the activator protein 1 signaling pathway. Stored samples from a prior clinical trial aimed at analyzing the effect of alendronate on bone mineral density, provided further evidence of alendronate-mediated latency reversal and activation of immune effector cells. Decay of the reservoir measured by IPDA was however not detected. Our results demonstrate the novel use of N-BPs to reverse HIV-1 latency while inducing immune effector functions. This preliminary evidence merits further investigation in a controlled clinical setting possibly in combination with therapeutic vaccination.

Abstract The HIV proviral reservoir is the major barrier to cure. The predominantly replication-defective proviral landscape makes the measurement of virus that is likely to cause rebound upon ART-cessation challenging. To address this issue, novel assays to measure intact HIV proviruses have been developed. The Intact Proviral DNA Assay (IPDA) is a high-throughput assay that uses two probes to exclude the majority of defective proviruses and determine the frequency of intact proviruses, albeit without sequence confirmation. Quadruplex PCR with four probes (Q4PCR), is a lower-throughput assay that uses limiting dilution long distance PCR amplification followed by qPCR and near-full length genome sequencing (nFGS) to estimate the frequency of sequence-confirmed intact proviruses and provide insight into their clonal composition. To explore the advantages and limitations of these assays, we compared IPDA and Q4PCR measurements from 39 ART-suppressed people living with HIV. We found that IPDA and Q4PCR measurements correlated with one another but frequencies of intact proviral DNA differed by approximately 19-fold. This difference may be in part due to inefficiencies in long distance PCR amplification of proviruses in Q4PCR, leading to underestimates of intact proviral frequencies. In addition, nFGS analysis within Q4PCR explained that some of this difference is explained by proviruses that are classified as intact by IPDA but carry defects elsewhere in the genome. Taken together, this head-to-head comparison of novel intact proviral DNA assays provides important context for their interpretation in studies to deplete the HIV reservoir and shows that together the assays bracket true reservoir size. Importance The Intact Proviral DNA Assay (IPDA) and Quadruplex PCR (Q4PCR) represent major advances in accurately quantifying and characterizing the replication competent HIV reservoir. This study compares the two novel approaches for measuring intact HIV proviral DNA in samples from 39 ART-suppressed people living with HIV, thereby informing ongoing efforts to deplete the HIV reservoir in cure-related trials.