ABSTRACT Human leukocyte antigen (HLA)-B27-positive subjects are uncommon in their ability to control infection with human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1). However, late viral escape from a narrowly directed immunodominant Gag-specific CD8 + T-lymphocyte (CTL) response has been linked to AIDS progression in these individuals. Identifying the mechanism of the immune-mediated control may provide critical insights into HIV-1 vaccine development. Here, we illustrate that the CTL escape mutation R 264 K in the HLA-B27-restricted KK10 epitope in the capsid resulted in a significant defect in viral replication in vitro. The R 264 K variant was impaired in generating late reverse transcription products, indicating that replication was blocked at a postentry step. Notably, the R 264 K mutation was associated in vivo with the development of a rare secondary mutation, S 173 A, which restored viral replication in vitro. Furthermore, infectivity of the R 264 K variant was rescued by the addition of cyclosporine A or infection of a cyclophilin A-deficient cell line. These data demonstrate a severe functional defect imposed by the R 264 K mutation during an early step in viral replication that is likely due to the inability of this variant to replicate efficiently in the presence of normal levels of cyclophilin A. We conclude that the impact of the R 264 K substitution on capsid structure constrains viral escape and enables long-term maintenance of the dominant CTL response against B27-KK10, providing an explanation for the protective effect of HLA-B27 during HIV infection.

Human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) elite controllers (EC) maintain viremia below the limit of commercial assay detection (<50 RNA copies/ml) in the absence of antiviral therapy, but the mechanisms of control remain unclear. HLA-B57 and the closely related allele B*5801 are particularly associated with enhanced control and recognize the same Gag(240-249) TW10 epitope. The typical escape mutation (T242N) within this epitope diminishes viral replication capacity in chronically infected persons; however, little is known about TW10 epitope sequences in residual replicating viruses in B57/B*5801 EC and the extent to which mutations within this epitope may influence steady-state viremia. Here we analyzed TW10 in a total of 50 B57/B*5801-positive subjects (23 EC and 27 viremic subjects). Autologous plasma viral sequences from both EC and viremic subjects frequently harbored the typical cytotoxic T-lymphocyte (CTL)-selected mutation T242N (15/23 sequences [65.2%] versus 23/27 sequences [85.1%], respectively; P = 0.18). However, other unique mutants were identified in HIV controllers, both within and flanking TW10, that were associated with an even greater reduction in viral replication capacity in vitro. In addition, strong CTL responses to many of these unique TW10 variants were detected by gamma interferon-specific enzyme-linked immunospot assay. These data suggest a dual mechanism for durable control of HIV replication, consisting of viral fitness loss resulting from CTL escape mutations together with strong CD8 T-cell immune responses to the arising variant epitopes.

HIV-1 group M (HIV-1M) lineages downregulate HLA-I and CD4 expression via their Nef proteins. We hypothesized that these Nef functions may be partially responsible for the differences in prevalence of viruses from different lineages that co-circulate within an epidemic. Here, we characterized these two Nef activities in HIV-1M isolates from Cameroon, where multiple variants have been circulating since the pandemic's origin. Single HIV-1 Nef clones from 234 HIV-1-ART naïve individuals living in remote villages and two cosmopolitan cities of Cameroon, sampled between 2000 and 2013, were isolated from plasma HIV RNA and analyzed for their capacity to downregulate HLA-I and CD4 molecules. We found that, despite a large degree of within- and inter- lineage variation, the ability of Nef to downregulate HLA-I was similar across these different viruses. Moreover, Nef-mediated CD4 downregulation activity was also well conserved across the different lineages found in Cameroon. In addition, we observed a trend towards higher HLA-I downregulation activity of viruses circulating in the cosmopolitan cities versus the remote villages, whereas the CD4 downregulation activities were similar across the two settings. Furthermore, we noted a significant decline of HLA-I downregulation activity from 2000 to 2013, providing additional evidence supporting the attenuation of the global HIV-1M population over time. Finally, we identified 18 amino acids associated with differential HLA-I downregulation and 13 amino acids associated with differential CD4 downregulation within the dominant CRF02_AG lineage. Our lack of observation of HIV lineage-related differences in Nef-mediated HLA-I and CD4 downregulation function suggests that these activities do not substantively influence the prevalence of different HIV-1M lineages in Cameroon.

Abstract Curing HIV will require eliminating the reservoir of integrated, replication-competent proviruses that persist despite antiretroviral therapy (ART). Understanding the burden, genetic diversity and longevity of persisting proviruses in diverse individuals with HIV is critical to this goal, but these characteristics remain understudied in some groups. Among them are viremic controllers, individuals who naturally suppress HIV to low levels but for whom therapy is nevertheless recommended. We reconstructed within-host HIV evolutionary histories from longitudinal single-genome amplified viral sequences in four viremic controllers who eventually initiated ART, and used this information to characterize the age and diversity of proviruses persisting on therapy. We further leveraged these within-host proviral age distributions to estimate rates of proviral turnover prior to ART. This is an important yet understudied metric, since pre-ART proviral turnover dictates reservoir composition at ART initiation (and thereafter), which is when curative interventions, once developed, would be administered. Despite natural viremic control, all participants displayed significant within-host HIV evolution pre-therapy, where overall on-ART proviral burden and diversity broadly reflected the extent of viral replication and diversity pre-ART. Consistent with recent studies of non-controllers, the proviral pools of two participants were skewed towards sequences that integrated near ART initiation, suggesting dynamic proviral turnover during untreated infection. In contrast, proviruses recovered from the two other participants dated to time-points that were more evenly spread throughout infection, suggesting slow or negligible proviral decay following deposition. HIV cure strategies will need to overcome within-host proviral diversity, even in individuals who naturally controlled HIV replication before therapy. Importance HIV therapy is life-long because integrated, replication-competent viral copies persist within long-lived cells. To cure HIV, we need to understand when these viral reservoirs form, how large and genetically diverse they are, and how long they endure. Elite controllers, individuals who naturally suppress HIV to undetectable levels, are being intensely studied as models of HIV remission, but viremic controllers, individuals who naturally suppress HIV to low levels, remain understudied even though they too may hold valuable insights. We combined phylogenetics and mathematical modeling to reconstruct proviral seeding and decay from infection to therapy-mediated suppression in four viremic controllers. We recovered diverse proviruses persisting during therapy that broadly reflected HIV’s within-host evolutionary history, where the estimated half-lives of the persistent proviral pool during untreated infection ranged from <1 year to negligible. Cure strategies will need to contend with proviral diversity and between-host heterogeneity, even in individuals who naturally control HIV.

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.