Antibodies capable of neutralizing HIV-1 often target variable regions 1 and 2 (V1V2) of the HIV-1 envelope, but the mechanism of their elicitation has been unclear. Here we define the developmental pathway by which such antibodies are generated and acquire the requisite molecular characteristics for neutralization. Twelve somatically related neutralizing antibodies (CAP256-VRC26.01–12) were isolated from donor CAP256 (from the Centre for the AIDS Programme of Research in South Africa (CAPRISA)); each antibody contained the protruding tyrosine-sulphated, anionic antigen-binding loop (complementarity-determining region (CDR) H3) characteristic of this category of antibodies. Their unmutated ancestor emerged between weeks 30–38 post-infection with a 35-residue CDR H3, and neutralized the virus that superinfected this individual 15 weeks after initial infection. Improved neutralization breadth and potency occurred by week 59 with modest affinity maturation, and was preceded by extensive diversification of the virus population. HIV-1 V1V2-directed neutralizing antibodies can thus develop relatively rapidly through initial selection of B cells with a long CDR H3, and limited subsequent somatic hypermutation. These data provide important insights relevant to HIV-1 vaccine development. A longitudinal study of an individual patient developing neutralizing antibodies against HIV-1 (targeting the V1V2 region of gp120) reveals how such neutralizing antibodies develop and evolve over time, providing important insights relevant to vaccine development. A better understanding of how HIV-1-neutralizing antibodies are generated could be a useful contribution to the design of improved AIDS vaccines. John Mascola and colleagues have now elucidated the immunological pathway of an important category of HIV-1-neutralizing antibody — those that target the variable V1V2 region of the viral envelope. These antibodies are more frequently elicited than CD4-binding site antibodies in the early stages of HIV infection and feature modest affinity maturation, a process that favours mutations in antibody variable domains that enhance antigen binding.

ABSTRACT Neutralizing antibodies elicited by HIV-1 coevolve with viral Envs in distinctive patterns, in some cases acquiring substantial breadth. Here we show that primary HIV-1 Envs, when expressed by simian-human immunodeficiency viruses in rhesus macaques, elicited patterns of Env-antibody coevolution strikingly similar to those in humans. This included conserved immunogenetic, structural and chemical solutions to epitope recognition and precise Env-amino acid substitutions, insertions and deletions leading to virus persistence. The structure of one rhesus antibody, capable of neutralizing 49% of a 208-strain panel, revealed a V2-apex mode of recognition like that of human bNAbs PGT145/PCT64-35M. Another rhesus antibody bound the CD4-binding site by CD4 mimicry mirroring human bNAbs 8ANC131/CH235/VRC01. Virus-antibody coevolution in macaques can thus recapitulate developmental features of human bNAbs, thereby guiding HIV-1 immunogen design. One sentence summary Virus-antibody coevolution in rhesus macaques recapitulates developmental features of human antibodies.

Abstract Simian-human immunodeficiency virus (SHIV) chimeras contain the HIV-1 envelope ( env ) gene embedded within an SIVmac proviral backbone. Previously, we showed that substitution of Env residue 375-Ser by bulky aromatic residues enhances Env binding to rhesus CD4 and enables primary or transmitted/founder (T/F) HIV-1 Envs to support efficient SHIV replication in rhesus macaques (RMs). Here, we test this design strategy more broadly by constructing and analyzing SHIVs containing ten strategically selected primary or T/F HIV-1 Envs corresponding to subtypes A, B, C, AE and AG, each with six allelic variants at position 375. All ten SHIVs bearing wildtype Env375 residues replicated efficiently in human CD4 + T cells, but only one of these replicated efficiently in rhesus CD4 + T cells. This was a SHIV whose subtype AE Env naturally contained a bulky aromatic His residue at position 375. Replacement of wildtype Env375 residues by Trp, Tyr, Phe or His in the other nine SHIVs uniformly led to efficient replication in rhesus CD4+ T in vitro and in RMs in vivo . Env375-Trp – the residue found most frequently among SIV strains infecting Old World monkeys – was favored for SHIV replication in RMs, although some SHIVs preferred Env375-Tyr, -His or -Phe. Nine SHIVs containing optimized Env375 alleles were grown large scale in primary activated rhesus CD4 + T cells to serve as challenge stocks in preclinical prevention trials. These virus stocks were genetically homogeneous, native-like in Env antigenicity and tier-2 neutralization sensitivity, transmissible by rectal, vaginal, penile, oral or intravenous inoculation routes, and exhibited acute and early replication kinetics that were indistinguishable from HIV-1 infection in humans. Finally, to expedite future SHIV constructions and eliminate short redundant elements in tat1 and env gp41 that were spontaneously deleted in chronically infected monkeys, we engineered a simplified second-generation SHIV design scheme and validated it in RMs. Overall, our findings demonstrate that SHIVs bearing primary or T/F Envs with bulky aromatic amino acid substitutions at position Env375 consistently replicate in RMs, recapitulating many features of HIV-1 infection in humans. We further show that SHIV challenge stocks grown in primary rhesus CD4 + T cells are efficiently transmitted by mucosal routes common to HIV-1 infection and can be used effectively to test for vaccine efficacy in preclinical monkey trials.

Broadly neutralizing antibodies targeting the V2 apex of the HIV-1 envelope trimer are among the most common specificities elicited in HIV-1-infected humans and simian-human immunodeficiency virus (SHIV)-infected macaques. To gain insight into the prevalent induction of these antibodies, we isolated and characterized 11 V2 apex-directed neutralizing antibody lineages from SHIV-infected rhesus macaques. Remarkably, all SHIV-induced V2 apex lineages were derived from reading frame two of the rhesus DH3-15*01 gene. Cryo-EM structures of envelope trimers in complex with antibodies from nine rhesus lineages revealed modes of recognition that mimicked three canonical human V2 apex-recognition modes. Notably, amino acids encoded by DH3-15*01 played divergent structural roles, inserting into a hole at the trimer apex, H-bonding to an exposed strand, or forming part of a loop scaffold. Overall, we identify a DH3-15*01-signature for rhesus V2 apex broadly neutralizing antibodies and show that highly selected genetic elements can play multiple roles in antigen recognition.

Eliciting broadly neutralizing antibodies-(bnAbs) remains a major goal of HIV-1 vaccine research. Previously, we showed that a soluble chimpanzee SIV Envelope-(Env) trimer, MT145K, bound several human V2-apex bnAb-precursors and stimulated an appropriate response in V2-apex bnAb precursor-expressing knock-in mice. Here, we tested the immunogenicity of three MT145 variants (MT145, MT145K, MT145K.dV5) expressed as chimeric simian-chimpanzee-immunodeficiency-viruses-(SCIVs) in rhesus macaques-(RMs). All three viruses established productive infections with high setpoint vRNA titers. RMs infected with the germline-targeting SCIV_MT145K and SCIV_MT145K.dV5 exhibited larger and more clonally expanded B cell lineages featuring long anionic heavy chain complementary-determining-regions-(HCDR3s) compared with wildtype SCIV_MT145. Moreover, antigen-specific B cell analysis revealed enrichment for long-CDHR3-bearing antibodies in SCIV_MT145K.dV5 infected animals with paratope features resembling prototypic V2-apex bnAbs and their precursors. Although none of the animals developed bnAbs, these results show that germline-targeting SCIVs can activate and preferentially expand B cells expressing V2-apex bnAb-like precursors, the first step in bnAb elicitation.

Abstract HIV-1 and its SIV precursors share a broadly neutralizing antibody (bNAb) epitope in variable loop 2 (V2) at the envelope glycoprotein (Env) trimer apex. Here, we tested the immunogenicity of germline-targeting versions of a chimpanzee SIV (SIVcpz) Env in human V2-apex bNAb heavy-chain precursor-expressing knock-in mice and as chimeric simian-chimpanzee immunodeficiency viruses (SCIVs) in rhesus macaques (RMs). Trimer immunization of knock-in mice induced V2-directed NAbs, indicating activation of V2-apex bNAb precursor-expressing mouse B cells. SCIV infection of RMs elicited high-titer viremia, potent autologous tier 2 neutralizing antibodies, and rapid sequence escape in the canonical V2-apex epitope. Six of seven animals also developed low-titer heterologous plasma breadth that mapped to the V2-apex. Antibody cloning from two of these identified multiple expanded lineages with long heavy chain third complementarity determining regions that cross-neutralized as many as 7 of 19 primary HIV-1 strains, but with low potency. Negative stain electron microscopy (NSEM) of members of the two most cross-reactive lineages confirmed V2 targeting but identified an angle of approach distinct from prototypical V2-apex bNAbs, with antibody binding either requiring or inducing an occluded-open trimer. Probing with conformation-sensitive, non-neutralizing antibodies revealed that SCIV-expressed Envs as well as some primary HIV-1 Envs adopted a more open conformation, thereby exposing a conserved V2 epitope that is occluded in closed SIVcpz and HIV-1 Env trimers. These results expand the spectrum of V2-apex targeted antibodies that can contribute to neutralization breadth and identify novel SIV Env platforms for further development as germline-targeting and immunofocusing immunogens. One sentence summary A cryptic V2 epitope in occluded-open HIV and SIV Env trimers is the target of a new class of V2-directed cross-neutralizing antibodies.