HIV-1 causes a chronic, incurable disease due to its persistence in CD4+ T cells that contain replication-competent provirus, but exhibit little or no active viral gene expression and effectively resist combination antiretroviral therapy (cART). These latently infected T cells represent an extremely small proportion of all circulating CD4+ T cells but possess a remarkable long-term stability and typically persist throughout life, for reasons that are not fully understood. Here we performed massive single-genome, near-full-length next-generation sequencing of HIV-1 DNA derived from unfractionated peripheral blood mononuclear cells, ex vivo-isolated CD4+ T cells, and subsets of functionally polarized memory CD4+ T cells. This approach identified multiple sets of independent, near-full-length proviral sequences from cART-treated individuals that were completely identical, consistent with clonal expansion of CD4+ T cells harboring intact HIV-1. Intact, near-full-genome HIV-1 DNA sequences that were derived from such clonally expanded CD4+ T cells constituted 62% of all analyzed genome-intact sequences in memory CD4 T cells, were preferentially observed in Th1-polarized cells, were longitudinally detected over a duration of up to 5 years, and were fully replication- and infection-competent. Together, these data suggest that clonal proliferation of Th1-polarized CD4+ T cells encoding for intact HIV-1 represents a driving force for stabilizing the pool of latently infected CD4+ T cells.

Chromosomal integration of genome-intact HIV-1 sequences into the host genome creates a reservoir of virally infected cells that persists throughout life, necessitating indefinite antiretroviral suppression therapy. During effective antiviral treatment, the majority of these proviruses remain transcriptionally silent, but mechanisms responsible for viral latency are insufficiently clear. Here, we used matched integration site and proviral sequencing (MIP-Seq), an experimental approach involving multiple displacement amplification of individual proviral species, followed by near-full-length HIV-1 next-generation sequencing and corresponding chromosomal integration site analysis to selectively map the chromosomal positions of intact and defective proviruses in 3 HIV-1-infected individuals undergoing long-term antiretroviral therapy. Simultaneously, chromatin accessibility and gene expression in autologous CD4+ T cells were analyzed by assays for transposase-accessible chromatin using sequencing (ATAC-Seq) and RNA-Seq. We observed that in comparison to proviruses with defective sequences, intact HIV-1 proviruses were enriched for non-genic chromosomal positions and more frequently showed an opposite orientation relative to host genes. In addition, intact HIV-1 proviruses were preferentially integrated in either relative proximity to or increased distance from active transcriptional start sites and to accessible chromatin regions. These studies strongly suggest selection of intact proviruses with features of deeper viral latency during prolonged antiretroviral therapy, and may be informative for targeting the genome-intact viral reservoir.

Opening Paragraph (serves as abstract for submission) and Body The Intact Proviral DNA Assay (IPDA) was developed to address the critical need for a precise and scalable method for intact HIV reservoir quantification 1 . This duplexed droplet digital PCR (ddPCR) assay simultaneously targets the HIV Packaging Signal (Ψ) and the Rev Responsive Element (RRE) within Envelope ( env ) to distinguish genomically intact proviruses against a large background of defective ones 2 . The IPDA requires less time, resources, and biological material than the gold standard for replication-competent HIV reservoir measurement, the Quantitative Viral Outgrowth Assay (QVOA) 3 , and is being adopted in research and clinical studies 4–7 . In our cohort of HIV-1 subtype B-infected individuals from North America however, the IPDA yielded a 28% failure rate due to HIV polymorphism. We further demonstrate that within-host HIV diversity can lead the IPDA to underestimate intact HIV reservoir size, which could negatively impact clinical trial results interpretation. While the IPDA represents an important methodological advance, HIV diversity should be addressed before its widespread adoption.

Abstract The primary obstacle to curing HIV-1 is a reservoir of CD4+ cells that contain stably integrated provirus. Previous studies characterizing the proviral landscape, which have been predominantly conducted in males in the United States and Europe living with HIV-1 subtype B, have revealed that most proviruses that persist during antiretroviral therapy (ART) are defective. In contrast, less is known about proviral landscapes in females with non-B subtypes, which represents the largest group of individuals living with HIV-1. Here, we analyze genomic DNA from resting CD4+ T-cells from 16 female and seven male Ugandans with HIV-1 receiving suppressive ART ( n = 23). We perform near-full-length proviral sequencing at limiting dilution to examine the proviral genetic landscape, yielding 607 HIV-1 subtype A1, D, and recombinant proviral sequences (mean 26/person). We observe that intact genomes are relatively rare and clonal expansion occurs in both intact and defective genomes. Our modification of the primers and probes of the Intact Proviral DNA Assay (IPDA), developed for subtype B, rescues intact provirus detection in Ugandan samples for which the original IPDA fails. This work will facilitate research on HIV-1 persistence and cure strategies in Africa, where the burden of HIV-1 is heaviest.

In order to cure HIV, we need to better understand the within-host evolutionary origins of the small reservoir of genome-intact proviruses that persists within infected cells during antiretroviral therapy (ART). Most prior studies on reservoir evolutionary dynamics however did not discriminate genome-intact proviruses from the vast background of defective ones. We reconstructed within-host pre-ART HIV evolutionary histories in six individuals and leveraged this information to infer the ages of intact and defective proviruses sampled after an average >9 years on ART, along with the ages of rebound and low-level/isolated viremia occurring during this time. We observed that the longest-lived proviruses persisting on ART were exclusively defective, usually due to large deletions. In contrast, intact proviruses and rebound HIV exclusively dated to the years immediately preceding ART. These observations are consistent with genome-intact proviruses having shorter lifespans, likely due to the cumulative risk of elimination following viral reactivation and protein production. Consistent with this, intact proviruses (and those with packaging signal defects) were three times more likely to be genetically identical compared to other proviral types, highlighting clonal expansion as particularly important in ensuring their survival. By contrast, low-level/isolated viremia sequences were genetically heterogeneous and sometimes ancestral, where viremia may have originated from defective proviruses. Results reveal that the HIV reservoir is dominated by clonally-enriched and genetically younger sequences that date to the untreated infection period when viral populations had been under within-host selection pressures for the longest duration. Knowledge of these qualities may help focus strategies for reservoir elimination.

Abstract Antiretroviral therapies (ART) durably suppress HIV replication to undetectable levels – however, infection persists in the form of long-lived reservoirs of infected cells with integrated proviruses, that re-seed systemic replication if ART is interrupted. A central tenet of our current understanding of this persistence is that infected cells are shielded from immune recognition and elimination through a lack of antigen expression from proviruses. Efforts to cure HIV infection have therefore focused on reactivating latent proviruses to enable immune-mediated clearance, but these have yet to succeed in driving reductions in viral reservoirs. Here, we revisited the question of whether HIV reservoirs are predominately immunologically silent from a new angle, by querying the dynamics of HIV-specific T-cell responses over long-term ART for evidence of ongoing recognition of HIV-infected cells. We show that T-cell responses to autologous reservoir viruses persist over years, and that the maintenance of HIV-Nef-specific responses was uniquely associated with residual frequencies of infected cells. These responses disproportionately exhibited a cytotoxic, effector functional profile, indicative of recent in vivo recognition of HIV-infected cells. These results indicate substantial visibility of the HIV reservoir to T-cells on stable ART, presenting both opportunities and challenges for the development of therapeutic approaches to curing HIV infection.