It is common to find considerable genetic variation in susceptibility to infection in natural populations. We have investigated whether natural selection increases this variation by testing whether host populations show more genetic variation in susceptibility to pathogens that they naturally encounter than novel pathogens. In a large cross-infection experiment involving four species of Drosophila and four host-specific viruses, we always found greater genetic variation in susceptibility to viruses that had coevolved with their host. We went on to examine the genetic architecture of resistance in one host species, finding that there are more major-effect genetic variants in coevolved host-parasite interactions. We conclude that selection by pathogens increases genetic variation in host susceptibility, and much of this effect is caused by the occurrence of major-effect resistance polymorphisms within populations.

Abstract HIV-1 infection establishes a reservoir of long-lived cells with integrated proviral DNA that can persist despite antiretroviral therapy (ART). The mechanisms governing the transcriptional regulation of the provirus are complex and incompletely understood. Here, we investigated the role of histone H3 citrullination, a post-translational modification catalyzed by protein-arginine deiminase type-4 (PADI4), in HIV-1 transcription and latency. We found that PADI4 inhibition by GSK484 reduced HIV-1 transcription after T cell activation in ex vivo cultures of CD4 T cells from viremic and ART treated people living with HIV-1 (PLWH). The effect was more pronounced in the viremic group. Using cell models of HIV-1 latency, we showed that PADI4-mediated citrullination of histone H3 occurred at the HIV-1 promoter upon T cell stimulation which facilitated proviral transcription. Citrullination of the H3R8 residue prevented heterochromatin formation. We also demonstrated that HIV-1 preferentially integrated into genomic regions marked by H3 citrullination and that proviruses in H3 citrullinated chromatin were more transcriptionally active and less prone to latency than those in non-citrullinated chromatin. Our data reveal a novel mechanism of HIV-1 transcriptional regulation by PADI4 and H3 citrullination and suggest a potential therapeutic target for reducing the size of the latent reservoir, as an approach to cure. Highlights The PADI4 enzyme stimulates HIV-1 transcription during T cell activation. PADI4 citrullinates histone H3 at the HIV-1 promoter upon T cell activation and inhibiting PADI4 reduces HIV-1 reactivation in ex vivo CD4 T cells from people living with HIV-1. H3cit is mostly found at gene promoters, and productive HIV-1 proviruses are more likely than latent or reactivatable proviruses, to integrate in chromatin susceptible for citrullination. H3cit prevents latency establishment by interfering with the binding of HP1α to H3K9me3.

Abstract The reservoir of latently HIV-1 infected cells is heterogeneous. To achieve an HIV-1 cure, the reservoir of activatable proviruses should be eliminated while permanently silenced proviruses may be tolerated. We have developed a method to assess the proviral nuclear microenvironment in single cells. In latently HIV-1 infected cells, a zinc finger protein tethered to the HIV-1 promoter produced a fluorescent signal as a protein of interest came in its proximity, such as the viral transactivator Tat when recruited to the nascent RNA. Tat is essential for viral replication. In these cells we assessed the proviral activation and chromatin composition. By linking Tat recruitment to proviral activity, we dissected the mechanisms of HIV-1 latency reversal and the consequences of HIV-1 production. A pulse of promoter-associated Tat was identified that contrasted to the continuous production of viral proteins. As expected, promoter H3K4me3 led to substantial expression of the provirus following T cell stimulation. However, the activation-induced cell cycle arrest and death led to a surviving cell fraction with proviruses encapsulated in repressive chromatin. Further, this cellular model was used to reveal mechanisms of action of small molecules. In a proof-of-concept study we determined the effect of an enhancer specific CBP/P300-inhibitor on HIV-1 latency reversal. Only proviruses resembling active enhancers, associated with H3K4me1 and H3K27ac, efficiently recruited Tat. Tat-independent HIV-1 latency reversal of unknown significance still occurred. We present a method for single cell assessment of the microenvironment of the latent HIV-1 proviruses, used here to reveal how T cell stimulation modulates the proviral activity and how the subsequent fate of the infected cell depends on the chromatin context.