Abstract Infection with human immunodeficiency virus-1 (HIV-1) causes brain injury. Type I interferons (IFNα/β) are critical mediators of any anti-viral immune response and IFNβ has been implicated in the temporary control of lentiviral infection in the brain. Here we show that transgenic mice expressing HIV-1 envelope glycoprotein 120 in their central nervous system (HIVgp120tg) mount a transient IFNβ response and provide evidence that IFNβ confers neuronal protection against HIVgp120 toxicity. In cerebrocortical cell cultures, neuroprotection by IFNβ against gp120 toxicity is dependent on IFNα receptor 1 (IFNAR1) and the β-chemokine CCL4, as IFNAR1 deficiency and neutralizing antibodies against CCL4, respectively, abolish the neuroprotective effects. We find in vivo that IFNβ mRNA is significantly increased in HIVgp120tg brains at 1.5, but not 3 or 6 months of age. However, a four-week intranasal IFNβ treatment of HIVgp120tg mice starting at 3.5 months of age increases expression of CCL4 and concomitantly protects neuronal dendrites and pre-synaptic terminals in cortex and hippocampus from gp120-induced damage. Moreover, in vivo and in vitro data suggests astrocytes are a major source of IFNβ-induced CCL4. Altogether, our results suggest exogenous IFNβ as a neuroprotective factor that has potential to ameliorate in vivo HIVgp120-induced brain injury.

People living with HIV (PLWH) continue to develop HIV-associated neurocognitive disorders despite combination anti-retroviral therapy. Lipocalin-2 (LCN2) is an acute phase protein that has been implicated in neurodegeneration and is upregulated in a transgenic mouse model of HIV-associated brain injury. Here we show that LCN2 is significantly upregulated in neocortex of a subset of HIV-infected individuals with brain pathology and correlates with viral load in CSF and pro-viral DNA in neocortex. However, the question if LCN2 contributes to HIV-associated neurotoxicity or is part of a protective host response required further investigation. We found that the knockout of LCN2 in transgenic mice expressing HIVgp120 in the brain (HIVgp120tg) abrogates behavioral impairment, ameliorates neuronal damage, and reduces microglial activation in association with an increase of the neuroprotective CCR5 ligand CCL4. In vitro experiments show that LCN2 neurotoxicity also depends on microglia and p38 MAPK activity. Genetic ablation of CCR5 in LCN2-deficient HIVgp120tg mice restores neuropathology, suggesting that LCN2 overrides neuroprotection mediated by CCR5 and its chemokine ligands. RNA expression of 168 genes involved in neurotransmission reveals that neuronal injury and protection are each associated with genotype- and sex-specific patterns affecting common neural gene networks. In conclusion, our study identifies LCN2 as a novel factor in HIV-associated brain injury involving CCR5, p38 MAPK and microglia. Furthermore, the mechanistic interaction between LCN2 and CCR5 may serve as a diagnostic and therapeutic target in HIV patients at risk of developing brain pathology and neurocognitive impairment.

Abstract Background HIV-1 infection remains a major public health concern despite effective combination antiretroviral therapy (cART). The virus enters the central nervous system (CNS) early in infection and continues to cause HIV-associated neurocognitive disorders (HAND). The pathogenic mechanisms of HIV-associated brain injury remain incompletely understood. Since HIV-1 activates the type I interferon system, which signals via interferon-α receptor (IFNAR) 1 and 2, this study investigated the potential role of IFNAR1 in HIV-induced neurotoxicity. Methods We cross-bred HIVgp120-transgenic (tg) and IFNAR1 knockout (IFNAR1KO) mice. At 11–14 months of age, we performed a behavioral assessment and subsequently analyzed neuropathological alterations using deconvolution and quantitative immunofluorescence microscopy, quantitative RT-PCR, and bioinformatics. Western blotting of brain lysates and an in vitro neurotoxicity assay were employed for analysis of cellular signaling pathways. Results We show that IFNAR1KO results in partial, sex-dependent protection from neuronal injury and behavioral deficits in a transgenic model of HIV-induced brain injury. The IFNAR1KO rescues spatial memory and ameliorates loss of presynaptic terminals preferentially in female HIVgp120tg mice. Similarly, expression of genes involved in neurotransmission reveals sex-dependent effects of IFNAR1KO and HIVgp120. In contrast, IFNAR1-deficiency, independent of sex, limits damage to neuronal dendrites, microgliosis, and activation of p38 MAPK and restores ERK activity in the HIVgp120tg brain. In vitro, inhibition of p38 MAPK abrogates neurotoxicity caused similarly by blockade of ERK kinase and HIVgp120. Conclusion Our findings indicate that IFNAR1 plays a pivotal role in both sex-dependent and independent processes of neuronal injury and behavioral impairment triggered by HIV-1.

Human immunodeficiency virus-1 (HIV-1) infects the central nervous system (CNS) and causes HIV-associated neurocognitive disorders (HAND) in about half of the population living with the virus despite combination anti-retroviral therapy (cART). HIV-1 activates the innate immune system, including the production of type 1 interferons (IFNs) α and β. Transgenic mice expressing HIV-1 envelope glycoprotein gp120 (HIVgp120tg) in the CNS develop memory impairment and share key neuropathological features and differential CNS gene expression with HIV patients, including the induction of IFN-stimulated genes (ISG). Here we show that knocking out IFNβ (IFNβKO) in HIVgp120tg and non-tg control mice impairs recognition and spatial memory, but does not affect anxiety-like behavior, locomotion, or vision. The neuropathology of HIVgp120tg is only moderately affected by the KO of IFNβ but in a sex-dependent fashion. Notably, in cerebral cortex of IFNβKO animals presynaptic terminals are reduced in males while neuronal dendrites are reduced in females. The IFNβKO results in the hippocampal CA1 region of both male and female HIVgp120tg mice in an ameliorated loss of neuronal presynaptic terminals but no protection of neuronal dendrites. Only female IFNβ-deficient HIVgp120tg mice display diminished microglial activation in cortex and hippocampus and increased astrocytosis in hippocampus compared to their IFNβ-expressing counterparts. RNA expression for some immune genes and ISGs is also affected in a sex-dependent way. The IFNβKO abrogates or diminishes the induction of MX1, DDX58, IRF7 and IRF9 in HIVgp120tg brains of both sexes. Expression analysis of neurotransmission related genes reveals an influence of IFNβ on multiple components with more pronounced changes in IFNβKO females. In contrast, the effects of IFNβKO on MAPK activities are independent of sex with pronounced reduction of active ERK1/2 but also of active p38 in the HIVgp120tg brain. In summary, our findings show that the absence of IFNβ impairs memory dependent behavior and modulates neuropathology in HIVgp120tg brains, indicating that its absence may facilitate development of HAND. Moreover, our data suggests that endogenous IFNβ plays a vital role in maintaining neuronal homeostasis and memory function.