AIDS remains incurable due to the permanent integration of HIV-1 into the host genome, imparting risk of viral reactivation even after antiretroviral therapy. New strategies are needed to ablate the viral genome from latently infected cells, because current methods are too inefficient and prone to adverse off-target effects. To eliminate the integrated HIV-1 genome, we used the Cas9/guide RNA (gRNA) system, in single and multiplex configurations. We identified highly specific targets within the HIV-1 LTR U3 region that were efficiently edited by Cas9/gRNA, inactivating viral gene expression and replication in latently infected microglial, promonocytic, and T cells. Cas9/gRNAs caused neither genotoxicity nor off-target editing to the host cells, and completely excised a 9,709-bp fragment of integrated proviral DNA that spanned from its 5' to 3' LTRs. Furthermore, the presence of multiplex gRNAs within Cas9-expressing cells prevented HIV-1 infection. Our results suggest that Cas9/gRNA can be engineered to provide a specific, efficacious prophylactic and therapeutic approach against AIDS.

Abstract HIV-1 infects lymphoid and myeloid cells, which can harbor a latent proviral reservoir responsible for maintaining lifelong infection. Glycolytic metabolism has been identified as a determinant of susceptibility to HIV-1 infection, but its role in the development and maintenance of HIV-1 latency has not been elucidated. By combining transcriptomic, proteomic and metabolomic analysis, we here show that transition to latent HIV-1 infection downregulates glycolysis, while viral reactivation by conventional stimuli reverts this effect. Decreased glycolytic output in latently infected cells is associated with downregulation of NAD + /NADH. Consequently, infected cells rely on the parallel pentose phosphate pathway and its main product, the antioxidant NADPH, fueling antioxidant pathways maintaining HIV-1 latency. Of note, blocking NADPH downstream effectors, thioredoxin and glutathione, favors HIV-1 reactivation from latency in lymphoid and myeloid cellular models. This provides a “shock and kill effect” decreasing proviral DNA in cells from people-living-with-HIV/AIDS. Overall, our data show that downmodulation of glycolysis is a metabolic signature of HIV-1 latency that can be exploited to target latently infected cells with eradication strategies.

ABSTRACT Human immune deficiency virus (HIV) infection of microglial cells in the brain leads to chronic neuroinflammation, which is antecedent to the development of HIV-associated neurocognitive disorders (HAND) in the majority of patients. Productively HIV infected microglia release multiple neurotoxins including proinflammatory cytokines and HIV proteins such as envelope glycoprotein (gp120) and transactivator of transcription (Tat). However, powerful counteracting silencing mechanisms in microglial cells result in the rapid shutdown of HIV expression to limit neuronal damage. Here we investigated whether the Nerve Growth Factor IB-like nuclear receptor Nurr1 (NR4A2), which is a repressor of inflammation in the brain, acts to directly restrict HIV expression. HIV silencing was substantially enhanced by Nurr1 agonists in both immortalized human microglial cells (hµglia) and induced pluripotent stem cells (iPSC)-derived human microglial cells (iMG). Overexpression of Nurr1 led to viral suppression, whereas by contrast, knock down (KD) of endogenous Nurr1 blocked HIV silencing. Chromatin immunoprecipitation (ChIP) assays showed that Nurr1 mediates recruitment of the CoREST/HDAC1/G9a/EZH2 transcription repressor complex to HIV promoter resulting in epigenetic silencing of active HIV. Transcriptomic studies demonstrated that in addition to repressing HIV transcription, Nurr1 also downregulated numerous cellular genes involved in inflammation, cell cycle, and metabolism, thus promoting HIV latency and microglial homoeostasis. Thus, Nurr1 plays a pivotal role in modulating the cycles of proviral reactivation by cytokines and potentiating the proviral transcriptional shutdown. These data highlight the therapeutic potential of Nurr1 agonists for inducing HIV silencing and microglial homeostasis and amelioration of the neuroinflammation associated with HAND. AUTHOR SUMMARY HIV enters the brain almost immediately after infection where it infects perivascular macrophages, microglia and, to a less extent, astrocytes. In previous work using an immortalized human microglial cell model, we observed that integrated HIV constantly underwent cycles of reactivation and subsequent silencing. In the present study, we found that the Nurr1 nuclear receptor is a key mediator of HIV silencing. The functional activation of Nurr1 by specific agonists, or the over expression of Nurr1, resulted in rapid silencing of activated HIV in microglial cells. Global gene expression analysis confirmed that Nurr1 not only repressed HIV expression but also regulated numerous genes involved in microglial homeostasis and inflammation. Thus, Nurr1 is pivotal for HIV silencing and repression of inflammation in the brain and is a promising therapeutic target for treatment of HAND.