The human immunodeficiency virus HIV-1 establishes persistent infections in humans which lead to acquired immunodeficiency syndrome (AIDS). The HIV-1 envelope glycoproteins, gp120 and gp41, are assembled into a trimeric complex that mediates virus entry into target cells1. HIV-1 entry depends on the sequential interaction of the gp120 exterior envelope glycoprotein with the receptors on the cell, CD4 and members of the chemokine receptor family2,3,4. The gp120 glycoprotein, which can be shed from the envelope complex, elicits both virus-neutralizing and non-neutralizing antibodies during natural infection. Antibodies that lack neutralizing activity are often directed against the gp120 regions that are occluded on the assembled trimer and which are exposed only upon shedding5,6. Neutralizing antibodies, by contrast, must access the functional envelope glycoprotein complex7 and typically recognize conserved or variable epitopes near the receptor-binding regions8,9,10,11. Here we describe the spatial organization of conserved neutralization epitopes on gp120, using epitope maps in conjunction with the X-ray crystal structure of a ternary complex that includes a gp120 core, CD4 and a neutralizing antibody12. A large fraction of the predicted accessible surface of gp120 in the trimer is composed of variable, heavily glycosylated core and loop structures that surround the receptor-binding regions. Understanding the structural basis for the ability of HIV-1 to evade the humoral immune response should assist in the design of a vaccine.

The design of a human immunodeficiency virus–1 (HIV-1) immunogen that can induce broadly reactive neutralizing antibodies is a major goal of HIV-1 vaccine development. Although rare human monoclonal antibodies (mAbs) exist that broadly neutralize HIV-1, HIV-1 envelope immunogens do not induce these antibody specificities. Here we demonstrate that the two most broadly reactive HIV-1 envelope gp41 human mAbs, 2F5 and 4E10, are polyspecific autoantibodies reactive with the phospholipid cardiolipin. Thus, current HIV-1 vaccines may not induce these types of antibodies because of autoantigen mimicry of the conserved membrane-proximal epitopes of the virus. These results may have important implications for generating effective neutralizing antibody responses by using HIV-1 vaccines.

Interaction with the CD4 receptor enhances the exposure on the human immunodeficiency type 1 gp120 exterior envelope glycoprotein of conserved, conformation-dependent epitopes recognized by the 17b and 48d neutralizing monoclonal antibodies. The 17b and 48d antibodies compete with anti-CD4 binding antibodies such as 15e or 21h, which recognize discontinuous gp120 sequences near the CD4 binding region. To characterize the 17b and 48d epitopes, a panel of human immunodeficiency virus type 1 gp120 mutants was tested for recognition by these antibodies in the absence or presence of soluble CD4. Single amino acid changes in five discontinuous, conserved, and generally hydrophobic regions of the gp120 glycoprotein resulted in decreased recognition and neutralization by the 17b and 48d antibodies. Some of these regions overlap those previously shown to be important for binding of the 15e and 21h antibodies or for CD4 binding. These results suggest that discontinuous, conserved epitopes proximal to the binding sites for both CD4 and anti-CD4 binding antibodies become better exposed upon CD4 binding and can serve as targets for neutralizing antibodies.

The binding of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) to the cellular receptor CD4 has been suggested to induce conformational changes in the viral envelope glycoproteins that promote virus entry. Conserved, discontinuous epitopes on the HIV-1 gp120 glycoprotein recognized by the 17b, 48d, and A32 antibodies are preferentially exposed upon the binding of soluble CD4 (sCD4). The binding of the 17b and 48d antibodies to the gp120 glycoprotein can also be enhanced by the binding of the A32 antibody. Here we constructed HIV-1 gp120 mutants in which the variable segments of the V1/V2 and V3 structures were deleted, individually or in combination, while the 17b, 48d, and A32 epitopes were retained. The effects of the variable loop deletions on the function of the HIV-1 envelope glycoproteins and on the exposure of epitopes induced by sCD4 or A32 binding to the monomeric gp120 glycoprotein were examined. The variable-loop-deleted envelope glycoproteins were able to mediate virus entry, albeit at lower efficiencies than those of the wild-type glycoproteins. Thus, the V1/V2 and V3 variable sequences contribute to the efficiency of HIV-1 entry but are not absolutely required for the process. Neither the V1/V2 nor V3 loops were necessary for the increase in exposure of the 17b/48d epitopes induced by binding of the A32 monoclonal antibody. By contrast, induction of the 17b, 48d, and A32 epitopes by sCD4 binding apparently involves a movement of the V1/V2 loops, which in the absence of CD4 partially mask these epitopes on the native gp120 monomer. The results obtained with a mutant glycoprotein containing a deletion of the V1 loop alone indicated that the contribution of the V2 loop to these phenomena was more significant than that of the V1 sequences. These results suggest that the V1/V2 loops, which have been previously implicated in CD4-modulated, postattachment steps in HIV-1 entry, contribute to CD4-induced gp120 conformational changes detected by the 17b, 48d, and A32 antibodies.

A panel of anti-gp120 human monoclonal antibodies (HuMAbs), CD4-IgG, and sera from people infected with human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) was tested for neutralization of nine primary HIV-1 isolates, one molecularly cloned primary strain (JR-CSF), and two strains (IIIB and MN) adapted for growth in transformed T-cell lines. All the viruses were grown in mitogen-stimulated peripheral blood mononuclear cells and were tested for their ability to infect these cells in the presence and absence of the reagents mentioned above. In general, the primary isolates were relatively resistant to neutralization by the MAbs tested, compared with the T-cell line-adapted strains. However, one HuMAb, IgG1b12, was able to neutralize most of the primary isolates at concentrations of < or = 1 microgram/ml. Usually, the inability of a HuMAb to neutralize a primary isolate was not due merely to the absence of the antibody epitope from the virus; the majority of the HuMAbs bound with high affinity to monomeric gp120 molecules derived from various strains but neutralized the viruses inefficiently. We infer therefore that the mechanism of resistance of primary isolates to most neutralizing antibodies is complex, and we suggest that it involves an inaccessibility of antibody binding sites in the context of the native glycoprotein complex on the virion. Such a mechanism would parallel that which was previously postulated for soluble CD4 resistance. We conclude that studies of HIV-1 neutralization that rely on strains adapted to growth in transformed T-cell lines yield the misleading impression that HIV-1 is readily neutralized. The more relevant primary HIV-1 isolates are relatively resistant to neutralization, although these isolates can be potently neutralized by a subset of human polyclonal or monoclonal antibodies.

The CCR5 co-receptor binds to the HIV-1 gp120 envelope glycoprotein and facilitates HIV-1 entry into cells. Its N terminus is tyrosine-sulfated, as are many antibodies that react with the co-receptor binding site on gp120. We applied nuclear magnetic resonance and crystallographic techniques to analyze the structure of the CCR5 N terminus and that of the tyrosine-sulfated antibody 412d in complex with gp120 and CD4. The conformations of tyrosine-sulfated regions of CCR5 (α-helix) and 412d (extended loop) are surprisingly different. Nonetheless, a critical sulfotyrosine on CCR5 and on 412d induces similar structural rearrangements in gp120. These results now provide a framework for understanding HIV-1 interactions with the CCR5 N terminus during viral entry and define a conserved site on gp120, whose recognition of sulfotyrosine engenders posttranslational mimicry by the immune system.

ABSTRACT Identifying the viral epitopes targeted by broad neutralizing antibodies (NAbs) that sometimes develop in human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1)-infected subjects should assist in the design of vaccines to elicit similar responses. Here, we investigated the activities of a panel of 24 broadly neutralizing plasmas from subtype B- and C-infected donors using a series of complementary mapping methods, focusing mostly on JR-FL as a prototype subtype B primary isolate. Adsorption with gp120 immobilized on beads revealed that an often large but variable fraction of plasma neutralization was directed to gp120 and that in some cases, neutralization was largely mediated by CD4 binding site (CD4bs) Abs. The results of a native polyacrylamide gel electrophoresis assay using JR-FL trimers further suggested that half of the subtype B and a smaller fraction of subtype C plasmas contained a significant proportion of NAbs directed to the CD4bs. Anti-gp41 neutralizing activity was detected in several plasmas of both subtypes, but in all but one case, constituted only a minor fraction of the overall neutralization activity. Assessment of the activities of the subtype B plasmas against chimeric HIV-2 viruses bearing various fragments of the membrane proximal external region (MPER) of HIV-1 gp41 revealed mixed patterns, implying that MPER neutralization was not dominated by any single specificity akin to known MPER-specific monoclonal Abs. V3 and 2G12-like NAbs appeared to make little or no contribution to JR-FL neutralization titers. Overall, we observed significant titers of anti-CD4bs NAbs in several plasmas, but approximately two-thirds of the neutralizing activity remained undefined, suggesting the existence of NAbs with specificities unlike any characterized to date.