The pharmacologic utility of lengthy peptides can be hindered by loss of bioactive structure and rapid proteolysis, which limits bioavailability. For example, enfuvirtide (Fuzeon, T20, DP178), a 36-amino acid peptide that inhibits human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) infection by effectively targeting the viral fusion apparatus, has been relegated to a salvage treatment option mostly due to poor in vivo stability and lack of oral bioavailability. To overcome the proteolytic shortcomings of long peptides as therapeutics, we examined the biophysical, biological, and pharmacologic impact of inserting all-hydrocarbon staples into an HIV-1 fusion inhibitor. We find that peptide double-stapling confers striking protease resistance that translates into markedly improved pharmacokinetic properties, including oral absorption. We determined that the hydrocarbon staples create a proteolytic shield by combining reinforcement of overall α-helical structure, which slows the kinetics of proteolysis, with complete blockade of peptide cleavage at constrained sites in the immediate vicinity of the staple. Importantly, double-stapling also optimizes the antiviral activity of HIV-1 fusion peptides and the antiproteolytic feature extends to other therapeutic peptide templates, such as the diabetes drug exenatide (Byetta). Thus, hydrocarbon double-stapling may unlock the therapeutic potential of natural bioactive polypeptides by transforming them into structurally fortified agents with enhanced bioavailability.

ABSTRACT CD4-mimetic compounds (CD4mcs) bind the human immunodeficiency virus (HIV-1) gp120 exterior envelope glycoprotein (Env) and compete for binding to CD4, the host receptor. CD4mcs prematurely trigger conformational changes in Env similar to those induced by CD4, leading to transient activation of infectivity followed by irreversible virus inactivation. Natural HIV-1 variants exhibit a wide range of susceptibilities to CD4mc inhibition, only a small fraction of which can be explained by variation in the gp120 Phe-43 cavity/vestibule where CD4mcs bind. Here, we study Envs from the resistant HIV-1 BG505 and the more sensitive HIV-1 191955_A4 clade A strains. The major determinant of the relative sensitivity of the HIV-1 191955_A4 Env to CD4mcs mapped to a single residue change (F317Y) in the tip of the gp120 V3 variable loop. In the Envs of several HIV-1 strains, replacement of the more prevalent Phe 317 with a tyrosine residue increased virus sensitivity to multiple CD4mcs. Tryptophan substitutions at residues 317 and 316 resulted in increases and decreases, respectively, in sensitivity to CD4mcs. Some of the gp120 V3 changes increased virus sensitivity to inactivation by both CD4mc and cold exposure, phenotypes indicative of increased Env triggerability. Infection of CD4-negative cells expressing the CCR5 coreceptor by these Env variants was triggered more efficiently by CD4mcs. For the panel of studied HIV-1 Envs, resistance to the CD4mcs was associated with decreased ability to support virus entry. These studies illustrate how variation in gp120 outside the CD4mc binding site can influence the sensitivity of natural HIV-1 strains to inhibition by these compounds. IMPORTANCE CD4-mimetic compounds (CD4mcs) are small-molecule inhibitors of human immunodeficiency virus (HIV-1) entry into host cells. CD4mcs target a pocket on the viral envelope glycoprotein (Env) spike that is used for binding to the receptor, CD4, and is highly conserved among HIV-1 strains. Nonetheless, naturally occurring HIV-1 strains exhibit a wide range of sensitivities to CD4mcs. Our study identifies changes distant from the binding pocket that can influence the susceptibility of natural HIV-1 strains to the antiviral effects of multiple CD4mcs. We relate the antiviral potency of the CD4mc against this panel of HIV-1 variants to the ability of the CD4mc to activate entry-related changes in Env conformation prematurely. These findings will guide efforts to improve the potency and breadth of CD4mcs against natural HIV-1 variants.

ABSTRACT Binding to host cell receptors, CD4 and CCR5/CXCR4, triggers conformational changes in the human immunodeficiency virus (HIV-1) envelope glycoprotein (Env) trimer that promote virus entry. CD4 binding allows the gp120 exterior Env to bind CCR5/CXCR4 and induces a pre-hairpin intermediate conformation in the gp41 transmembrane Env. Small-molecule CD4-mimetic compounds (CD4mcs) bind within the conserved Phe-43 cavity of gp120, near the binding site for CD4. CD4mcs inhibit HIV-1 infection by competing with CD4 and by prematurely activating Env, leading to irreversible inactivation. BNM-III-170 is a CD4mc that inhibits the infection of approximately 70% of HIV-1 strains at micromolar concentrations. We selected and analyzed variants of the primary HIV-1 AD8 strain resistant to BNM-III-170. Two changes (S375N and I424T) in gp120 residues that flank the Phe-43 cavity each conferred ∼5-fold resistance to BNM- III-170 with minimal fitness cost. A third change (E64G) in Layer 1 of the gp120 inner domain resulted in ∼100-fold resistance to BNM-III-170, ∼2-3-fold resistance to soluble CD4-Ig, and a moderate decrease in viral fitness. The gp120 changes additively or synergistically contributed to BNM-III-170 resistance. The sensitivity of the Env variants to BNM-III-170 inhibition of virus entry correlated with their sensitivity to BNM-III-170- induced Env activation and shedding of gp120. The S375N and I424T changes, but not the E64G change, conferred resistance to BMS-806, a potent HIV-1 entry inhibitor that blocks Env conformational transitions. These studies identify pathways whereby HIV-1 can develop resistance to CD4mcs and BMS-806 conformational blockers, two classes of entry inhibitors that target the conserved gp120 Phe-43 cavity. IMPORTANCE CD4-mimetic compounds (CD4mcs) and BMS-806 are small-molecule inhibitors of human immunodeficiency virus (HIV-1) entry into host cells. Although CD4mcs and BMS-806 inhibit HIV-1 entry by different mechanisms, they both target a pocket on the viral envelope glycoprotein (Env) spike that is used for binding to the receptor, CD4, and is highly conserved among HIV-1 strains. Our study identifies changes near this pocket that can confer various levels of resistance to the antiviral effects of both a CD4mc and BMS-806. We relate the antiviral potency of a CD4mc against this panel of HIV-1 variants to the ability of the CD4mc to activate changes in Env conformation and to induce the shedding of the gp120 exterior Env from the spike. These findings will guide efforts to improve the potency and breadth of small-molecule HIV-1 entry inhibitors.

Abstract Binding to the host cell receptors, CD4 and CCR5/CXCR4, triggers large-scale conformational changes in the human immunodeficiency virus (HIV-1) envelope glycoprotein (Env) trimer [(gp120/gp41) 3 ] that promote virus entry into the cell. CD4-mimetic compounds (CD4mcs) comprise small organic molecules that bind in the highly conserved CD4-binding site of gp120 and prematurely induce inactivating Env conformational changes, including shedding of gp120 from the Env trimer. By inducing more “open,” antibody-susceptible Env conformations, CD4mcs also sensitize HIV-1 virions to neutralization by antibodies and infected cells to antibody-dependent cellular cytotoxicity (ADCC). Here, we report the design, synthesis and evaluation of novel CD4mcs based on an indoline scaffold. Compared with our current lead indane scaffold CD4mc, BNM-III-170, several indoline CD4mcs exhibit increased potency and breadth against HIV-1 variants from different geographic clades. Viruses that were selected for resistance to the lead indane CD4mc, BNM-III-170, are susceptible to inhibition by the indoline CD4mcs. The indoline CD4mcs also potently sensitize HIV-1-infected cells to ADCC mediated by plasma from HIV-1-infected individuals. Crystal structures indicate that the indoline CD4mcs gain potency compared to the indane CD4mcs through more favorable π-π overlap from the indoline pose and by making favorable contacts with the vestibule of the CD4-binding pocket on gp120. The rational design of indoline CD4mcs thus holds promise for further improvements in antiviral activity, potentially contributing to efforts to treat and prevent HIV-1 infection.