The precise identification of the HIV-1 envelope glycoprotein (Env) responsible for productive clinical infection could be instrumental in elucidating the molecular basis of HIV-1 transmission and in designing effective vaccines. Here, we developed a mathematical model of random viral evolution and, together with phylogenetic tree construction, used it to analyze 3,449 complete env sequences derived by single genome amplification from 102 subjects with acute HIV-1 (clade B) infection. Viral env genes evolving from individual transmitted or founder viruses generally exhibited a Poisson distribution of mutations and star-like phylogeny, which coalesced to an inferred consensus sequence at or near the estimated time of virus transmission. Overall, 78 of 102 subjects had evidence of productive clinical infection by a single virus, and 24 others had evidence of productive clinical infection by a minimum of two to five viruses. Phenotypic analysis of transmitted or early founder Envs revealed a consistent pattern of CCR5 dependence, masking of coreceptor binding regions, and equivalent or modestly enhanced resistance to the fusion inhibitor T1249 and broadly neutralizing antibodies compared with Envs from chronically infected subjects. Low multiplicity infection and limited viral evolution preceding peak viremia suggest a finite window of potential vulnerability of HIV-1 to vaccine-elicited immune responses, although phenotypic properties of transmitted Envs pose a formidable defense.

Human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1), the cause of human acquired immunodeficiency syndrome (AIDS), is a zoonotic infection of staggering proportions and social impact. Yet uncertainty persists regarding its natural reservoir. The virus most closely related to HIV-1 is a simian immunodeficiency virus (SIV) thus far identified only in captive members of the chimpanzee subspecies Pan troglodytes troglodytes . Here we report the detection of SIVcpz antibodies and nucleic acids in fecal samples from wild-living P. t. troglodytes apes in southern Cameroon, where prevalence rates in some communities reached 29 to 35%. By sequence analysis of endemic SIVcpz strains, we could trace the origins of pandemic (group M) and nonpandemic (group N) HIV-1 to distinct, geographically isolated chimpanzee communities. These findings establish P. t. troglodytes as a natural reservoir of HIV-1.

Identification of full-length transmitted HIV-1 genomes could be instrumental in HIV-1 pathogenesis, microbicide, and vaccine research by enabling the direct analysis of those viruses actually responsible for productive clinical infection. We show in 12 acutely infected subjects (9 clade B and 3 clade C) that complete HIV-1 genomes of transmitted/founder viruses can be inferred by single genome amplification and sequencing of plasma virion RNA. This allowed for the molecular cloning and biological analysis of transmitted/founder viruses and a comprehensive genome-wide assessment of the genetic imprint left on the evolving virus quasispecies by a composite of host selection pressures. Transmitted viruses encoded intact canonical genes (gag-pol-vif-vpr-tat-rev-vpu-env-nef) and replicated efficiently in primary human CD4+ T lymphocytes but much less so in monocyte-derived macrophages. Transmitted viruses were CD4 and CCR5 tropic and demonstrated concealment of coreceptor binding surfaces of the envelope bridging sheet and variable loop 3. 2 mo after infection, transmitted/founder viruses in three subjects were nearly completely replaced by viruses differing at two to five highly selected genomic loci; by 12–20 mo, viruses exhibited concentrated mutations at 17–34 discrete locations. These findings reveal viral properties associated with mucosal HIV-1 transmission and a limited set of rapidly evolving adaptive mutations driven primarily, but not exclusively, by early cytotoxic T cell responses.

Identification of the transmitted/founder virus makes possible, for the first time, a genome-wide analysis of host immune responses against the infecting HIV-1 proteome. A complete dissection was made of the primary HIV-1–specific T cell response induced in three acutely infected patients. Cellular assays, together with new algorithms which identify sites of positive selection in the virus genome, showed that primary HIV-1–specific T cells rapidly select escape mutations concurrent with falling virus load in acute infection. Kinetic analysis and mathematical modeling of virus immune escape showed that the contribution of CD8 T cell–mediated killing of productively infected cells was earlier and much greater than previously recognized and that it contributed to the initial decline of plasma virus in acute infection. After virus escape, these first T cell responses often rapidly waned, leaving or being succeeded by T cell responses to epitopes which escaped more slowly or were invariant. These latter responses are likely to be important in maintaining the already established virus set point. In addition to mutations selected by T cells, there were other selected regions that accrued mutations more gradually but were not associated with a T cell response. These included clusters of mutations in envelope that were targeted by NAbs, a few isolated sites that reverted to the consensus sequence, and bystander mutations in linkage with T cell–driven escape.

Cellular immune responses in rhesus macaques (Macaca mulatta) vaccinated with cytomegalovirus vectors expressing SIV proteins are able to stringently control highly pathogenic SIV infection, regardless of the route of challenge, after systemic spread; immunological and virological analyses of protected macaques followed for up to 3 years suggest that persistent immune surveillance by vaccine-elicited immune responses may have cleared the infection. Work on potential vaccines against human immunodeficiency viruses (HIV) and the simian equivalent (SIV) has so far proved largely fruitless. This study makes some progress by exploiting the recent observation that the pathogens appear vulnerable to immune control or pharmacological clearance in the first few hours to days of infection. Rhesus macaques vaccinated with SIV protein-expressing rhesus cytomegalovirus (RhCMV/SIV) vectors developed durable resistance to the highly pathogenic SIVmac239 after challenge by vaginal and intravenous routes. Some of the vaccinated animals have controlled viral replication for 1 to 3 years with no demonstrable evidence for residual virus, raising the possibility that the vaccine- elicited immune responses may in fact have cleared the initial infection. Established infections with the human and simian immunodeficiency viruses (HIV and SIV, respectively) are thought to be permanent with even the most effective immune responses and antiretroviral therapies only able to control, but not clear, these infections1,2,3,4. Whether the residual virus that maintains these infections is vulnerable to clearance is a question of central importance to the future management of millions of HIV-infected individuals. We recently reported that approximately 50% of rhesus macaques (RM; Macaca mulatta) vaccinated with SIV protein-expressing rhesus cytomegalovirus (RhCMV/SIV) vectors manifest durable, aviraemic control of infection with the highly pathogenic strain SIVmac239 (ref. 5). Here we show that regardless of the route of challenge, RhCMV/SIV vector-elicited immune responses control SIVmac239 after demonstrable lymphatic and haematogenous viral dissemination, and that replication-competent SIV persists in several sites for weeks to months. Over time, however, protected RM lost signs of SIV infection, showing a consistent lack of measurable plasma- or tissue-associated virus using ultrasensitive assays, and a loss of T-cell reactivity to SIV determinants not in the vaccine. Extensive ultrasensitive quantitative PCR and quantitative PCR with reverse transcription analyses of tissues from RhCMV/SIV vector-protected RM necropsied 69–172 weeks after challenge did not detect SIV RNA or DNA sequences above background levels, and replication-competent SIV was not detected in these RM by extensive co-culture analysis of tissues or by adoptive transfer of 60 million haematolymphoid cells to naive RM. These data provide compelling evidence for progressive clearance of a pathogenic lentiviral infection, and suggest that some lentiviral reservoirs may be susceptible to the continuous effector memory T-cell-mediated immune surveillance elicited and maintained by cytomegalovirus vectors.

ABSTRACT A window of opportunity for immune responses to extinguish human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) exists from the moment of transmission through establishment of the latent pool of HIV-1-infected cells. A critical time to study the initial immune responses to the transmitted/founder virus is the eclipse phase of HIV-1 infection (time from transmission to the first appearance of plasma virus), but, to date, this period has been logistically difficult to analyze. To probe B-cell responses immediately following HIV-1 transmission, we have determined envelope-specific antibody responses to autologous and consensus Envs in plasma donors from the United States for whom frequent plasma samples were available at time points immediately before, during, and after HIV-1 plasma viral load (VL) ramp-up in acute infection, and we have modeled the antibody effect on the kinetics of plasma viremia. The first detectable B-cell response was in the form of immune complexes 8 days after plasma virus detection, whereas the first free plasma anti-HIV-1 antibody was to gp41 and appeared 13 days after the appearance of plasma virus. In contrast, envelope gp120-specific antibodies were delayed an additional 14 days. Mathematical modeling of the earliest viral dynamics was performed to determine the impact of antibody on HIV replication in vivo as assessed by plasma VL. Including the initial anti-gp41 immunoglobulin G (IgG), IgM, or both responses in the model did not significantly impact the early dynamics of plasma VL. These results demonstrate that the first IgM and IgG antibodies induced by transmitted HIV-1 are capable of binding virions but have little impact on acute-phase viremia at the timing and magnitude that they occur in natural infection.

ABSTRACT Accurate identification of the transmitted virus and sequences evolving from it could be instrumental in elucidating the transmission of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) and in developing vaccines, drugs, or microbicides to prevent infection. Here we describe an experimental approach to analyze HIV-1 env genes as intact genetic units amplified from plasma virion RNA by single-genome amplification (SGA), followed by direct sequencing of uncloned DNA amplicons. We show that this strategy precludes in vitro artifacts caused by Taq -induced nucleotide substitutions and template switching, provides an accurate representation of the env quasispecies in vivo, and has an overall error rate (including nucleotide misincorporation, insertion, and deletion) of less than 8 × 10 −5 . Applying this method to the analysis of virus in plasma from 12 Zambian subjects from whom samples were obtained within 3 months of seroconversion, we show that transmitted or early founder viruses can be identified and that molecular pathways and rates of early env diversification can be defined. Specifically, we show that 8 of the 12 subjects were each infected by a single virus, while 4 others acquired more than one virus; that the rate of virus evolution in one subject during an 80-day period spanning seroconversion was 1.7 × 10 −5 substitutions per site per day; and that evidence of strong immunologic selection can be seen in Env and overlapping Rev sequences based on nonrandom accumulation of nonsynonymous mutations. We also compared the results of the SGA approach with those of more-conventional bulk PCR amplification methods performed on the same patient samples and found that the latter is associated with excessive rates of Taq -induced recombination, nucleotide misincorporation, template resampling, and cloning bias. These findings indicate that HIV-1 env genes, other viral genes, and even full-length viral genomes responsible for productive clinical infection can be identified by SGA analysis of plasma virus sampled at intervals typical in large-scale vaccine trials and that pathways of viral diversification and immune escape can be determined accurately.

Plasmodium falciparum is the most prevalent and lethal of the malaria parasites infecting humans, yet the origin and evolutionary history of this important pathogen remain controversial. Here we develop a single-genome amplification strategy to identify and characterize Plasmodium spp. DNA sequences in faecal samples from wild-living apes. Among nearly 3,000 specimens collected from field sites throughout central Africa, we found Plasmodium infection in chimpanzees (Pan troglodytes) and western gorillas (Gorilla gorilla), but not in eastern gorillas (Gorilla beringei) or bonobos (Pan paniscus). Ape plasmodial infections were highly prevalent, widely distributed and almost always made up of mixed parasite species. Analysis of more than 1,100 mitochondrial, apicoplast and nuclear gene sequences from chimpanzees and gorillas revealed that 99% grouped within one of six host-specific lineages representing distinct Plasmodium species within the subgenus Laverania. One of these from western gorillas comprised parasites that were nearly identical to P. falciparum. In phylogenetic analyses of full-length mitochondrial sequences, human P. falciparum formed a monophyletic lineage within the gorilla parasite radiation. These findings indicate that P. falciparum is of gorilla origin and not of chimpanzee, bonobo or ancient human origin.

The timing of type I interferon signalling determines the disease course of SIV infection. Type I interferon (IFN-I) is shown here to have dual effects in rhesus macaques exposed to simian immunodeficiency virus (SIV): it is beneficial at the onset of infection but as infection progresses it becomes detrimental. IFN signaling was manipulated in two ways. IFN-I receptor blockade results in increased plasma viraemia, accelerated CD4 T cell loss and progression to AIDS. In contrast, IFN-α2a administration prior to high-dose intrarectal SIV challenge increases resistance to systemic infection. However, continued IFN-α2a treatment induces IFN-I desensitization and facilitates SIV infection. Overall, the benefits of early antiviral activity appear to outweigh the detrimental effects of immune activation during acute SIV infection. Inflammation in HIV infection is predictive of non-AIDS morbidity and death1, higher set point plasma virus load2 and virus acquisition3; thus, therapeutic agents are in development to reduce its causes and consequences. However, inflammation may simultaneously confer both detrimental and beneficial effects. This dichotomy is particularly applicable to type I interferons (IFN-I) which, while contributing to innate control of infection4,5,6,7,8,9,10, also provide target cells for the virus during acute infection, impair CD4 T-cell recovery, and are associated with disease progression6,7,11,12,13,14,15,16,17,18,19. Here we manipulated IFN-I signalling in rhesus macaques (Macaca mulatta) during simian immunodeficiency virus (SIV) transmission and acute infection with two complementary in vivo interventions. We show that blockade of the IFN-I receptor caused reduced antiviral gene expression, increased SIV reservoir size and accelerated CD4 T-cell depletion with progression to AIDS despite decreased T-cell activation. In contrast, IFN-α2a administration initially upregulated expression of antiviral genes and prevented systemic infection. However, continued IFN-α2a treatment induced IFN-I desensitization and decreased antiviral gene expression, enabling infection with increased SIV reservoir size and accelerated CD4 T-cell loss. Thus, the timing of IFN-induced innate responses in acute SIV infection profoundly affects overall disease course and outweighs the detrimental consequences of increased immune activation. Yet, the clinical consequences of manipulation of IFN signalling are difficult to predict in vivo and therapeutic interventions in human studies should be approached with caution.

Summary

 Vpu proteins of pandemic HIV-1 M strains degrade the viral receptor CD4 and antagonize human tetherin to promote viral release and replication. We show that Vpus from SIVgsn, SIVmus, and SIVmon infecting Cercopithecus primate species also degrade CD4 and antagonize tetherin. In contrast, SIVcpz, the immediate precursor of HIV-1, whose Vpu shares a common ancestry with SIVgsn/mus/mon Vpu, uses Nef rather than Vpu to counteract chimpanzee tetherin. Human tetherin, however, is resistant to Nef and thus poses a significant barrier to zoonotic transmission of SIVcpz to humans. Remarkably, Vpus from nonpandemic HIV-1 O strains are poor tetherin antagonists, whereas those from the rare group N viruses do not degrade CD4. Thus, only HIV-1 M evolved a fully functional Vpu following the three independent cross-species transmissions that resulted in HIV-1 groups M, N, and O. This may explain why group M viruses are almost entirely responsible for the global HIV/AIDS pandemic.