For HIV: Location, location, location HIV-infected cells linger even in the face of therapy, and this persistence, termed the latent reservoir, is a major hurdle for curing HIV. HIV integrates itself into the DNA of its host cells. Could that affect the latent reservoir? To find out, Maldarelli et al. drew blood from five HIV patients on antiretroviral therapy and analyzed sites where HIV had inserted itself into the blood cells' DNA (see the Perspective by Margolis and Bushman). In many cases, these sites were not random; HIV often weaseled its way into genes that help cells grow and proliferate. Where HIV integrates into the host genome may thus determine the size of the latent reservoir. Science , this issue p. 179 ; see also p. 143

Residual viremia can be detected in most HIV-1-infected patients on antiretroviral therapy despite suppression of plasma RNA to <50 copies per ml, but the source and duration of this viremia is currently unknown. Therefore, we analyzed longitudinal plasma samples from 40 patients enrolled in the Abbott M97-720 trial at baseline (pretherapy) and weeks 60 to 384 by using an HIV-1 RNA assay with single-copy sensitivity. All patients were on therapy (lopinavir/ritonavir, stavudine, and lamivudine) with plasma HIV RNA <50 copies per ml by week 96 of the study and thereafter. Single-copy assay results revealed that 77% of the patient samples had detectable low-level viremia (>/=1 copy per ml), and all patients had at least one sample with detectable viremia. A nonlinear mixed effects model revealed a biphasic decline in plasma RNA levels occurring over weeks 60 to 384: an initial phase of decay with a half-life of 39 weeks and a subsequent phase with no perceptible decay. The level of pretherapy viremia extrapolated for each phase of decay was significantly correlated with total baseline viremia for each patient (R(2) = 0.27, P = 0.001 and R(2) = 0.19, P < 0.005, respectively), supporting a biological link between the extent of overall baseline viral infection and the infection of long-lived reservoirs. These data suggest that low-level persistent viremia appears to arise from at least two cell compartments, one in which viral production decays over time and a second in which viral production remains stable for at least 7 years.

ABSTRACT More sensitive assays for human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) RNA are needed to detect, quantify, and characterize persistent viremia in patients who are receiving antiretroviral therapy and whose plasma HIV-1 RNA levels are suppressed to less than 50 to 75 copies/ml. We therefore developed an internally controlled real-time reverse transcriptase-initiated PCR assay that quantifies HIV-1 RNA concentrations down to 1 copy per ml of plasma. This assay with single-copy sensitivity (the single-copy assay) generates a reproducible linear regression plot of input copy number versus threshold cycle by using HIV-1 RNA transcripts at copy numbers ranging from 1 to 10 6 per reaction mixture. The single-copy assay was compared to the ultrasensitive AMPLICOR HIV-1 MONITOR assay and a more sensitive modification of the ultrasensitive assay by repeatedly testing a low-copy-number panel containing 200 to 0.781 copies of HIV-1 RNA per ml of plasma. This comparison showed that the single-copy assay had a greater sensitivity than the other assays and was the only assay that detected HIV-1 RNA at levels as low as 0.781 copies/ml. Testing of plasma samples from 15 patients who were receiving antiretroviral therapy and who had <75 HIV-1 RNA copies/ml revealed persistent viremia in all 15 patients, with HIV-1 RNA levels ranging from 1 to 32 copies/ml (median, 13 copies/ml). The greater sensitivity of the single-copy assay should allow better characterization of persistent viremia in patients who are receiving antiretroviral therapy and whose HIV-1 RNA levels are suppressed to below the detection limits of present assays.

CD4 is an integral membrane glycoprotein which is known as the human immunodeficiency virus (HIV) receptor for infection of human cells. The protein is synthesized in the endoplasmic reticulum (ER) and subsequently transported to the cell surface via the Golgi complex. HIV infection of CD4+ cells leads to downmodulation of cell surface CD4, due at least in part to the formation of stable intracellular complexes between CD4 and the HIV type 1 (HIV-1) Env precursor polyprotein gp160. This process "traps" both proteins in the ER, leading to reduced surface expression of CD4 and reduced processing of gp160 to gp120 and gp41. We have recently demonstrated that the presence of the HIV-1-encoded integral membrane protein Vpu can reduce the formation of Env-CD4 complexes, resulting in increased gp160 processing and decreased CD4 stability. We have studied the effect of Vpu on CD4 stability and found that Vpu induces rapid degradation of CD4, reducing the half-life of CD4 from 6 h to 12 min. By using a CD4-binding mutant of gp160, we were able to show that this Vpu-induced degradation of CD4 requires retention of CD4 in the ER, which is normally accomplished through its binding to gp160. The involvement of gp160 in the induction of CD4 degradation is restricted to its function as a CD4 trap, since, in the absence of Env, an ER retention mutant of CD4, as well as wild-type CD4 in cultures treated with brefeldin A, a drug that blocks transport of proteins from the ER, is degraded in the presence of Vpu.

Virus-specific CD8+ T cells probably mediate control over HIV replication in rare individuals, termed long-term nonprogressors (LTNPs) or elite controllers. Despite extensive investigation, the mechanisms responsible for this control remain incompletely understood. We observed that HIV-specific CD8+ T cells of LTNPs persisted at higher frequencies than those of treated progressors with equally low amounts of HIV. Measured on a per-cell basis, HIV-specific CD8+ T cells of LTNPs efficiently eliminated primary autologous HIV-infected CD4+ T cells. This function required lytic granule loading of effectors and delivery of granzyme B to target cells. Defective cytotoxicity of progressor effectors could be restored after treatment with phorbol ester and calcium ionophore. These results establish an effector function and mechanism that clearly segregate with immunologic control of HIV. They also demonstrate that lytic granule contents of memory cells are a critical determinant of cytotoxicity that must be induced for maximal per-cell killing capacity.

ABSTRACT To investigate the extent to which drug resistance mutations are missed by standard genotyping methods, we analyzed the same plasma samples from 26 patients with suspected multidrug-resistant human immunodeficiency virus type 1 by using a newly developed single-genome sequencing technique and compared it to standard genotype analysis. Plasma samples were obtained from patients with prior exposure to at least two antiretroviral drug classes and who were on a failing antiretroviral regimen. Standard genotypes were obtained by reverse transcriptase (RT)-PCR and sequencing of the bulk PCR product. For single-genome sequencing, cDNA derived from plasma RNA was serially diluted to 1 copy per reaction, and a region encompassing p6, protease, and a portion of RT was amplified and sequenced. Sequences from 15 to 46 single viral genomes were obtained from each plasma sample. Drug resistance mutations identified by single-genome sequencing were not detected by standard genotype analysis in 24 of the 26 patients studied. Mutations present in less than 10% of single genomes were almost never detected in standard genotypes (1 of 86). Similarly, mutations present in 10 to 35% of single genomes were detected only 25% of the time in standard genotypes. For example, in one patient, 10 mutations identified by single-genome sequencing and conferring resistance to protease inhibitors (PIs), nucleoside analog reverse transcriptase inhibitors, and nonnucleoside reverse transcriptase inhibitors (NNRTIs) were not detected by standard genotyping methods. Each of these mutations was present in 5 to 20% of the 20 genomes analyzed; 15% of the genomes in this sample contained linked PI mutations, none of which were present in the standard genotype. In another patient sample, 33% of genomes contained five linked NNRTI resistance mutations, none of which were detected by standard genotype analysis. These findings illustrate the inadequacy of the standard genotype for detecting low-frequency drug resistance mutations. In addition to having greater sensitivity, single-genome sequencing identifies linked mutations that confer high-level drug resistance. Such linkage cannot be detected by standard genotype analysis.

In HIV-1-infected individuals on currently recommended antiretroviral therapy (ART), viremia is reduced to <50 copies of HIV-1 RNA per milliliter, but low-level residual viremia appears to persist over the lifetimes of most infected individuals. There is controversy over whether the residual viremia results from ongoing cycles of viral replication. To address this question, we conducted 2 prospective studies to assess the effect of ART intensification with an additional potent drug on residual viremia in 9 HIV-1-infected individuals on successful ART. By using an HIV-1 RNA assay with single-copy sensitivity, we found that levels of viremia were not reduced by ART intensification with any of 3 different antiretroviral drugs (efavirenz, lopinavir/ritonavir, or atazanavir/ritonavir). The lack of response was not associated with the presence of drug-resistant virus or suboptimal drug concentrations. Our results suggest that residual viremia is not the product of ongoing, complete cycles of viral replication, but rather of virus output from stable reservoirs of infection.

Abstract The latent HIV-1 reservoir containing stably integrated and transcriptionally silent proviruses in CD4+ T cells is a major barrier for virus eradication. Targeted reactivation of the latent reservoir remains a major challenge in establishing a path for an HIV-1 cure. Here, we investigated the possibility of reactivating the HIV-1 reservoir by targeting engineered bacteriophage T4 capsid nanoparticles to reservoir cells. The surface lattice of the 120 x 86 nm phage capsid was arrayed with CD4 binding ligands such as recombinant CD4DARPin or the HIV-1 gp140 envelope protein. When exposed to either PBMCs or the resting CD4+ T cells in vitro , these nanoparticles caused T cells activation without inducing global T cell activation. Furthermore, the nanoparticles reactivated HIV-1 proviral transcription that led to virus assembly and release in the J-Lat cells, a cell line model of HIV-1 latency. Intriguingly, the observed T cell activation and HIV-1 latency reversal did not occur through the classic PKC or NFAT pathways suggesting the involvement of a yet unknown pathway. These studies demonstrate that engineered non-infectious bacteriophages could be potentially exploited for HIV-1 cure and other targeted T cell therapies.

Abstract HIV persists during antiretroviral therapy (ART) as integrated proviruses in cells descended from a small fraction of the CD4+ T cells infected prior to the initiation of ART. To better understand what controls HIV persistence and the distribution of integration sites (IS), we compared about 16,000 and 54,000 IS from individuals pre-ART and on ART, respectively, with approximately 385,000 IS from PBMC infected in vitro. The distribution of IS in vivo is quite similar to the distribution in PBMC, modified by selection against proviruses in expressed genes, by selection for proviruses integrated into one of 6 specific genes, and by clonal expansion. The clones in which a provirus integrated in an oncogene contributed to the survival of the clone comprise only a small fraction of the clones that persist in HIV-infected individuals on ART. Mechanisms that do not involve the provirus, or its location in the host genome, are more important in determining which clones expand and persist. Author Summary In HIV-infected individuals, a small fraction of the infected cells persist and divide. This reservoir persists on ART and can rekindle the infection if ART is discontinued. Because the number of possible sites of HIV DNA integration is very large, each infected cell, and all of its descendants, can be identified by the site where the provirus is integrated (IS). To understand the selective forces that determine the fates of infected cells in vivo, we compared the distribution of HIV IS in freshly-infected cells to cells from HIV-infected donors sampled both before and during ART. We found that, as has been previously reported, integration favors highly-expressed genes. However, over time the fraction of cells with proviruses integrated in highly-expressed genes decreases, implying that they grow less well. There are exceptions to this broad negative selection. When a provirus is integrated in a specific region in one of six genes, the proviruses affect the expression of the target gene, promoting growth and/or survival of the cell. Although this effect is striking, it is only a minor component of the forces that promote the growth and survival of the population of infected cells during ART.

The prevalence of HIV-1 drug resistance is increasing worldwide and monitoring its emergence is important for the successful management of populations receiving combination antiretroviral therapy (cART). Using Ultrasensitive Single-Genome Sequencing (uSGS), a next-generation method that avoids PCR bias and PCR recombination, a recent report showed that pre-existing dual-class drug resistance mutations linked on the same viral genomes were predictive of treatment failure while unlinked mutations were not. Because of the large numbers of sequences generated by uSGS and other next-generation sequencing methods, it is difficult to assess each sequence individually for linked resistance mutations. Several software/programs exist to report the frequencies of individual mutations in large datasets but they provide no information on their linkage. Here, we report the HIV-DRLink program, a research tool that provides mutation frequencies in the total dataset as well as their linkage to other mutations conferring resistance to the same or different drug classes. The HIV-DRLink program should only be used on datasets generated by methods that eliminate artifacts due to PCR recombination, for example, standard Single-Genome Sequencing (SGS) or Ultrasensitive Single-Genome Sequencing (uSGS). HIV-DRLink is exclusively a research tool and is not intended to inform clinical decisions.