Human Immunodeficiency Viruses (HIV-1 and HIV-2) rely upon host-encoded proteins to facilitate their replication. Here, we combined genome-wide siRNA analyses with interrogation of human interactome databases to assemble a host-pathogen biochemical network containing 213 confirmed host cellular factors and 11 HIV-1-encoded proteins. Protein complexes that regulate ubiquitin conjugation, proteolysis, DNA-damage response, and RNA splicing were identified as important modulators of early-stage HIV-1 infection. Additionally, over 40 new factors were shown to specifically influence the initiation and/or kinetics of HIV-1 DNA synthesis, including cytoskeletal regulatory proteins, modulators of posttranslational modification, and nucleic acid-binding proteins. Finally, 15 proteins with diverse functional roles, including nuclear transport, prostaglandin synthesis, ubiquitination, and transcription, were found to influence nuclear import or viral DNA integration. Taken together, the multiscale approach described here has uncovered multiprotein virus-host interactions that likely act in concert to facilitate the early steps of HIV-1 infection.

Abstract All vertebrate genomes have been colonized by retroviruses along their evolutionary trajectory. While endogenous retroviruses (ERVs) can contribute important physiological functions to contemporary hosts, such benefits are attributed to long-term co-evolution of ERV and host because germline infections are rare and expansion is slow, because the host effectively silences them. The genomes of several outbred species including mule deer ( Odocoileus hemionus ) are currently being colonized by ERVs, which provides an opportunity to study ERV dynamics at a time when few are fixed. Because we have locus-specific data on the distribution of cervid endogenous retrovirus (CrERV) in populations of mule deer, in this study we determine the molecular evolutionary processes acting on CrERV at each locus in the context of phylogenetic origin, genome location, and population prevalence. A mule deer genome was de novo assembled from short and long insert mate pair reads and CrERV sequence generated at each locus. CrERV composition and diversity have recently measurably increased by horizontal acquisition of a new retrovirus lineage. This new lineage has further expanded CrERV burden and CrERV genomic diversity by activating and recombining with existing CrERV. Resulting inter-lineage recombinants endogenized and subsequently retrotransposed. CrERV loci are significantly closer to genes than expected if integration were random and gene proximity might explain the recent expansion by retrotransposition of one recombinant CrERV lineage. Thus, in mule deer, retroviral colonization is a dynamic period in the molecular evolution of CrERV that also provides a burst of genomic diversity to the host population.

Abstract Retinoic acid-inducible gene I ( RIG-I ) activates mitochondrial antiviral signaling proteins, initiating the antiviral response. RIG-I and RNF135 , a ubiquitin ligase regulator, are missing in domestic chickens but conserved in mallard ducks. It was long believed that chickens’ RIG-I loss was linked to increased avian influenza susceptibility. We reinstated both genes in chickens and examined their susceptibility to the avian influenza virus H7N1. Uninfected RIG-I -expressing chickens exhibited shifts in T and B cells, while the H7N1 infection led to severe disease, persistent weight loss, and increased viral replication. Conversely, the co-expression of RIG-I and RNF135 reduced the viral replication and was associated with high inflammatory response. Our data indicate that the loss of RIG-I in chickens likely evolved to counteract deleterious inflammation caused by viral infection. We highlight the effects of restoring evolutionary lost genes in birds and suggest a new immunological approach to reduce viral replication and prevent infection. Graphical abstract

Abstract In vertebrates, an ancient duplication in the genes for cannabinoid receptors (CNRs) allowed the evolution of specialised endocannabinoid receptors expressed in the brain (CNR1) and the periphery (CNR2). While dominantly conserved throughout vertebrate phylogeny, our comparative genomic analysis suggests that certain taxa may have lost either the CNR1 regulator of neural processes or, more frequently, the CNR2 involved in immune regulation. Focussing on conspicuous CNR2 pseudogenization in parrots (Psittaciformes), a diversified crown lineage of cognitively-advanced birds, we highlight possible functional effects of such a loss. Parrots appear to have lost the CNR2 gene at at least two separate occasions due to chromosomal rearrangement. Using gene expression data from the brain and periphery of birds with experimentally-induced sterile inflammation, we compare CNR and inflammatory marker (interleukin 1 beta, IL1B ) expression patterns in CNR2 -deficient parrots (represented by the budgerigar, Melopsittacus undulatus and five other parrot species) with CNR2 -intact passerines (represented by the zebra finch, Taeniopygia guttata ). Though no significant changes in CNR expression were observed in either parrots or passerines during inflammation of the brain or periphery, we detected a significant up-regulation of IL1B expression in the brain after stimulation with lipopolysaccharide (LPS) only in parrots. As our analysis failed to show evidence for selection on altered CNR1 functionality in parrots, compared to other birds, CNR1 is unlikely to be involved in compensation for CNR2 loss in modulation of the neuroimmune interaction. Thus, our results provide evidence for the functional importance of CNR2 pseudogenization for regulation of neuroinflammation.

Tetherin/BST2 is an antiviral restriction factor initially described in mammals. It is active against multiple enveloped viruses at the budding phase, where it is able to physically link the budding virions to the virus-producing cell. We and others have previously identified tetherin orthologs in birds, and characterized the antiviral activity and interferon-inducibility of chicken tetherin. In this work, we have generated an in vivo model of tetherin absence in chicken by CRISPR/Cas9 modification of chicken primordial germ cells (PGC). The modified PGCs were transplanted into roosters with suppressed endogenous spermatogenesis, and transgenic (tetherin knockout) progeny was obtained by further crosses. The viability and phenotype of tetherin knockout animals did not differ from wild type chicken. In more detailed investigation, flow cytometry based differential white blood cell count revealed an increased number of heterophils in tetherin knockouts. Upon challenge with avian sarcoma and leukosis virus (ASLV), a prototypic avian retrovirus, we detected increase in viremia at days 6 and 13 post infection in tetherin knockout animals. The increased virus susceptibility is consistent with absence of antiviral tetherin. In summary, we introduce a new in vivo knockout model of chicken antiviral gene tetherin. These animals can be used in further characterizations of avian antiviral defenses and also to define thus far unknown physiological effects of tetherin in birds.

Abstract A weak palindromic nucleotide motif is the hallmark of retroviral integration site alignments. Previously, the motifs were explained by an overlap of the non-palindromic motif being present on one of the half-site of targeted sequences. Here, we applied multicomponent mixture models to integration site sequences of diverse retroviruses. We demonstrate that the weak palindromic motifs result from a combination of independent sub-motifs restricted to only a few positions proximal to the site of integration. The sub-motifs are formed by either palindrome-forming nucleotide preference or nucleotide exclusion. Using the mixture models, we also identified HIV-1-favored palindromic sequences in Alu repeats serving as hotspots for integration. Our work presents a novel statistical approach to the analysis of retroviral integration site sequences, which can form a valuable tool in the analysis of DNA motifs. The presented results shed new light on the selection of target site sequences for retroviral integration.