The structure of the HIV-1 capsid is analysed by cryo-electron microscopy and cryo-electron tomography, allowing presentation of an all-atom molecular dynamics model of the entire capsid. Human immunodeficiency virus-1 (HIV-1), the predominant AIDS virus, contains a spheroidal capsid enclosing the viral RNA genome. As the retrovirus matures, the capsid forms through spontaneous oligomerization of the capsid protein CA. Using cryo-electron microscopy and cryo-electron tomography, combined with all-atom large-scale molecular dynamics simulations, Gongpu Zhao et al. have determined a complete atomic structure of the HIV-1 capsid. The resulting structural models reveal elements that are essential for capsid formation, stability and viral infectivity. Of special interest are the hydrophobic interactions evident in a novel three-fold interface between the carboxy-terminal domains of CA protein, a feature that appears to be unique to the mature capsid and which has previously been suggested as a potentially attractive therapeutic target. Retroviral capsid proteins are conserved structurally but assemble into different morphologies1. The mature human immunodeficiency virus-1 (HIV-1) capsid is best described by a ‘fullerene cone’ model2,3, in which hexamers of the capsid protein are linked to form a hexagonal surface lattice that is closed by incorporating 12 capsid-protein pentamers. HIV-1 capsid protein contains an amino-terminal domain (NTD) comprising seven α-helices and a β-hairpin4,5, a carboxy-terminal domain (CTD) comprising four α-helices6,7, and a flexible linker with a 310-helix connecting the two structural domains8. Structures of the capsid-protein assembly units have been determined by X-ray crystallography9,10; however, structural information regarding the assembled capsid and the contacts between the assembly units is incomplete. Here we report the cryo-electron microscopy structure of a tubular HIV-1 capsid-protein assembly at 8 Å resolution and the three-dimensional structure of a native HIV-1 core by cryo-electron tomography. The structure of the tubular assembly shows, at the three-fold interface11, a three-helix bundle with critical hydrophobic interactions. Mutagenesis studies confirm that hydrophobic residues in the centre of the three-helix bundle are crucial for capsid assembly and stability, and for viral infectivity. The cryo-electron-microscopy structures enable modelling by large-scale molecular dynamics simulation, resulting in all-atom models for the hexamer-of-hexamer and pentamer-of-hexamer elements as well as for the entire capsid. Incorporation of pentamers results in closer trimer contacts and induces acute surface curvature. The complete atomic HIV-1 capsid model provides a platform for further studies of capsid function and for targeted pharmacological intervention.

CD4 is crucial for antigen-driven helper T cell signaling and is used as receptor by the human immunodeficiency virus (HIV). The HIV early protein Nef causes a loss of CD4 from cell surfaces through a previously undefined posttranscriptional mechanism. Here, we demonstrate that Nef acts by inducing CD4 endocytosis, resulting in its degradation in lysosomes. CD4 down-regulation is strongly enhanced by the association of Nef with cell membranes through myristoylation. The study of chimeric molecules reveals that 20 membrane-proximal residues of the CD4 cytoplasmic domain are sufficient to confer Nef sensitivity. Within this region, a dileucine motif, reminiscent of an endocytosis and lysosomal targeting signal found in the CD3 γ and δ chains, is crucial for CD4 response to Nef.

Virions of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) and other lentiviruses contain conical cores consisting of a protein shell composed of the viral capsid protein (CA) surrounding an internal viral ribonucleoprotein complex. Although genetic studies have implicated CA in both early and late stages of the virus replication cycle, the mechanism of core disassembly following penetration of target cells remains undefined. Using quantitative assays for analyzing HIV-1 core stability in vitro, we identified point mutations in CA that either reduce or increase the stability of the HIV-1 core without impairing conical core formation in virions. Alterations in core stability resulted in severely attenuated HIV-1 replication and impaired reverse transcription in target cells with only minimal effects on viral DNA synthesis in permeabilized virions in vitro. We conclude that formation of a viral core of optimal stability is a prerequisite for efficient HIV-1 infection and suggest that disassembly of the HIV-1 core is a regulated step in infection that may be an attractive target for pharmacologic intervention.

The human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) vif gene encodes a 23-kDa protein of unknown function, also produced by most other known lentiviruses. Vif was found to be essential for the spread of HIV-1 in peripheral blood lymphocytes and in primary macrophages, as well as in some but not all established T-cell lines. Vif was required at the stage of viral particle formation, for cell-to-cell as well as for cell-free transmission of HIV-1. Accordingly, vif-defective viruses could be complemented by the expression of vif in the producer but not in the target cell. vif-defective virions contained wild-type amounts of Gag and Env proteins, reverse transcriptase, integrase, genomic RNA, and partial reverse transcripts. Most importantly, they could enter cells normally, and the vif defect could not be rescued through the use of HIV(MLV [murine leukemia virus]) pseudotypes. Instead, vif-mutant viruses were severely impaired in their ability to complete the synthesis of proviral DNA, once internalized in the target cell. These results suggest that Vif plays a role which is novel for a retroviral protein, in allowing the processing and/or the transport of the internalized HIV core.

The Nef protein of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) stimulates viral infectivity. The mechanism of this phenotype was investigated. Viruses containing disrupted nef genes were 4 to 40 times less infectious than wild-type HIV-1 in a single-round infection. The Nef-mediated stimulation HIV-1 infectivity was dependent on the association of Nef with the plasma membrane and could be observed when Nef was provided in trans in the virus producer but not target cells. The impaired infectiousness of nef-defective (delta Nef) virions was observed whether or not CD4 was present in either of these cells. Furthermore, it was independent of the mode of viral entry, since it was not rescued by pseudotyping Env- HIV-1 virions with the amphotropic murine leukemia virus envelope glycoproteins. As predicted from this result, wild-type and delta Nef virions entered cells with equal efficiencies. However, despite their normal content in viral genomic RNA and reverse transcriptase activity, delta Nef viruses were limited in their ability to perform reverse transcription once internalized in several cell types, including peripheral blood lymphocytes. Since Nef does not appear to be abundant in virions, these results suggest that Nef acts in producer cells to allow the generation of particles fully competent for completing steps that follow entry, leading to efficient reverse transcription of the HIV-1 genome. Using a trans complementation assay, we found that Nef proteins from a number of primary HIV-1 isolates as well as, to a milder degree, those from HIV-2ST and SIVMAC239 could enhance the infectivity of delta Nef HIV-1. This indicates that the Nef-mediated stimulation of proviral DNA synthesis is highly conserved and likely plays an important role in vivo.

Delivering the virus genome into the host nucleus through the nuclear pore complex (NPC) is pivotal in human immunodeficiency virus 1 (HIV-1) infection. The mechanism of this process remains mysterious owing to the NPC complexity and the labyrinth of molecular interactions involved. Here we built a suite of NPC mimics-DNA-origami-corralled nucleoporins with programmable arrangements-to model HIV-1 nuclear entry. Using this system, we determined that multiple cytoplasm-facing Nup358 molecules provide avid binding for capsid docking to the NPC. The nucleoplasm-facing Nup153 preferentially attaches to high-curvature regions of the capsid, positioning it for tip-leading NPC insertion. Differential capsid binding strengths of Nup358 and Nup153 constitute an affinity gradient that drives capsid penetration. Nup62 in the NPC central channel forms a barrier that viruses must overcome during nuclear import. Our study thus provides a wealth of mechanistic insight and a transformative toolset for elucidating how viruses like HIV-1 enter the nucleus.

Increasing evidence has suggested that the HIV-1 capsid enters the nucleus in a largely assembled, intact form. However, not much is known about how the cone-shaped capsid interacts with the nucleoporins (NUPs) in the nuclear pore for crossing the nuclear pore complex. Here, we elucidate how NUP153 binds HIV-1 capsid by engaging the assembled capsid protein (CA) lattice. A bipartite motif containing both canonical and noncanonical interaction modules was identified at the C-terminal tail region of NUP153. The canonical cargo-targeting phenylalanine-glycine (FG) motif engaged the CA hexamer. By contrast, a previously unidentified triple-arginine (RRR) motif in NUP153 targeted HIV-1 capsid at the CA tri-hexamer interface in the capsid. HIV-1 infection studies indicated that both FG- and RRR-motifs were important for the nuclear import of HIV-1 cores. Moreover, the presence of NUP153 stabilized tubular CA assemblies in vitro. Our results provide molecular-level mechanistic evidence that NUP153 contributes to the entry of the intact capsid into the nucleus.

Abstract Reverse transcription, an essential event in the HIV-1 lifecycle, requires deoxynucleotide triphosphates (dNTPs) to fuel DNA synthesis, thus requiring penetration of dNTPs into the viral core. The central cavity of the capsid protein (CA) hexamer reveals itself as a plausible channel that allows the passage of dNTPs into assembled capsids. Nevertheless, the molecular mechanism of nucleotide import into the capsid remains unknown. Employing all-atom molecular dynamics simulations, we established that cooperative binding between nucleotides inside a CA hexamer cavity results in energetically-favorable conditions for passive translocation of dNTPs into the HIV-1 capsid. Furthermore, binding of the host cell metabolite inositol hexakisphosphate (IP 6 ) enhances dNTP import, while binding of synthesized molecules like benzenehexacarboxylic acid (BHC) inhibits it. The enhancing effect on reverse transcription by IP 6 and the consequences of interactions between CA and nucleotides were corroborated using atomic force microscopy, transmission electron microscopy, and virological assays. Collectively, our results provide an atomistic description of the permeability of the HIV-1 capsid to small molecules and reveal a novel mechanism for the involvement of metabolites in HIV-1 capsid stabilization, nucleotide import and reverse transcription.

Summary The capsid of human immunodeficiency virus 1 (HIV-1) plays a pivotal role in viral nuclear import, but the mechanism by which the viral core passages the nuclear pore complex (NPC) is poorly understood. Here, we use DNA-origami mimics of the NPC, termed NuPODs (NucleoPorins Organized by DNA), to reveal the mechanistic underpinnings of HIV-1 capsid nuclear entry. We found that trimeric interface formed via three capsid protein hexamers is targeted by a triple-arginine (RRR) motif but not the canonical phenylalanine-glycine (FG) motif of NUP153. As NUP153 is located on the nuclear face of the NPC, this result implies that the assembled capsid must cross the NPC in vivo . This hypothesis is corroborated by our observations of tubular capsid assemblies penetrating through NUP153 NuPODs. NUP153 prefers to bind highly curved capsid assemblies including those found at the tips of viral cores, thereby facilitating capsid insertion into the NPC. Furthermore, a balance of capsid stabilization by NUP153 and deformation by CPSF6, along with other cellular factors, may allow for the intact capsid to pass NPCs of various sizes. The NuPOD system serves as a unique tool for unraveling the previously elusive mechanisms of nuclear import of HIV-1 and other viruses.

Summary Viruses exploit host cytoskeletal elements and motor proteins for trafficking through the dense cytoplasm. Yet the molecular mechanism that describes how viruses connect to the motor machinery is unknown. Here, we demonstrate the first example of viral microtubule trafficking from purified components: HIV-1 hijacking microtubule transport machinery. We discover that HIV-1 directly binds to the retrograde microtubule-associated motor, dynein, and not via a cargo adaptor, as previously suggested. Moreover, we show that HIV-1 motility is supported by multiple, diverse dynein cargo adaptors as HIV-1 binds to dynein light and intermediate chains on dynein’s tail. Further, we demonstrate that multiple dynein motors tethered to rigid cargoes, like HIV-1 capsids, display reduced motility, distinct from the behavior of multiple motors on membranous cargoes. Our results introduce a new model of viral trafficking wherein a pathogen opportunistically ‘hijacks’ the microtubule transport machinery for motility, enabling multiple transport pathways through the host cytoplasm.