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.

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.

Summary

 Genetic interaction (GI) maps, comprising pairwise measures of how strongly the function of one gene depends on the presence of a second, have enabled the systematic exploration of gene function in microorganisms. Here, we present a two-stage strategy to construct high-density GI maps in mammalian cells. First, we use ultracomplex pooled shRNA libraries (25 shRNAs/gene) to identify high-confidence hit genes for a given phenotype and effective shRNAs. We then construct double-shRNA libraries from these to systematically measure GIs between hits. A GI map focused on ricin susceptibility broadly recapitulates known pathways and provides many unexpected insights. These include a noncanonical role for COPI, a previously uncharacterized protein complex affecting toxin clearance, a specialized role for the ribosomal protein RPS25, and functionally distinct mammalian TRAPP complexes. The ability to rapidly generate mammalian GI maps provides a potentially transformative tool for defining gene function and designing combination therapies based on synergistic pairs.

Elucidating virus-host interactions responsible for HIV-1 transmission is important for advancing HIV-1 prevention strategies. To this end, single genome amplification (SGA) and sequencing of HIV-1 within the context of a model of random virus evolution has made possible for the first time an unambiguous identification of transmitted/founder viruses and a precise estimation of their numbers. Here, we applied this approach to HIV-1 env analyses in a cohort of acutely infected men who have sex with men (MSM) and found that a high proportion (10 of 28; 36%) had been productively infected by more than one virus. In subjects with multivariant transmission, the minimum number of transmitted viruses ranged from 2 to 10 with viral recombination leading to rapid and extensive genetic shuffling among virus lineages. A combined analysis of these results, together with recently published findings based on identical SGA methods in largely heterosexual (HSX) cohorts, revealed a significantly higher frequency of multivariant transmission in MSM than in HSX [19 of 50 subjects (38%) versus 34 of 175 subjects (19%); Fisher's exact p = 0.008]. To further evaluate the SGA strategy for identifying transmitted/founder viruses, we analyzed 239 overlapping 5′ and 3′ half genome or env-only sequences from plasma viral RNA (vRNA) and blood mononuclear cell DNA in an MSM subject who had a particularly well-documented virus exposure history 3–6 days before symptom onset and 14–17 days before peak plasma viremia (47,600,000 vRNA molecules/ml). All 239 sequences coalesced to a single transmitted/founder virus genome in a time frame consistent with the clinical history, and a molecular clone of this genome encoded replication competent virus in accord with model predictions. Higher multiplicity of HIV-1 infection in MSM compared with HSX is consistent with the demonstrably higher epidemiological risk of virus acquisition in MSM and could indicate a greater challenge for HIV-1 vaccines than previously recognized.

We used ultra-deep sequencing to obtain tens of thousands of HIV-1 sequences from regions targeted by CD8+ T lymphocytes from longitudinal samples from three acutely infected subjects, and modeled viral evolution during the critical first weeks of infection. Previous studies suggested that a single virus established productive infection, but these conclusions were tempered because of limited sampling; now, we have greatly increased our confidence in this observation through modeling the observed earliest sample diversity based on vastly more extensive sampling. Conventional sequencing of HIV-1 from acute/early infection has shown different patterns of escape at different epitopes; we investigated the earliest escapes in exquisite detail. Over 3–6 weeks, ultradeep sequencing revealed that the virus explored an extraordinary array of potential escape routes in the process of evading the earliest CD8 T-lymphocyte responses – using 454 sequencing, we identified over 50 variant forms of each targeted epitope during early immune escape, while only 2–7 variants were detected in the same samples via conventional sequencing. In contrast to the diversity seen within epitopes, non-epitope regions, including the Envelope V3 region, which was sequenced as a control in each subject, displayed very low levels of variation. In early infection, in the regions sequenced, the consensus forms did not have a fitness advantage large enough to trigger reversion to consensus amino acids in the absence of immune pressure. In one subject, a genetic bottleneck was observed, with extensive diversity at the second time point narrowing to two dominant escape forms by the third time point, all within two months of infection. Traces of immune escape were observed in the earliest samples, suggesting that immune pressure is present and effective earlier than previously reported; quantifying the loss rate of the founder virus suggests a direct role for CD8 T-lymphocyte responses in viral containment after peak viremia. Dramatic shifts in the frequencies of epitope variants during the first weeks of infection revealed a complex interplay between viral fitness and immune escape.

Most simian-human immunodeficiency viruses (SHIVs) bearing envelope (Env) glycoproteins from primary HIV-1 strains fail to infect rhesus macaques (RMs). We hypothesized that inefficient Env binding to rhesus CD4 (rhCD4) limits virus entry and replication and could be enhanced by substituting naturally occurring simian immunodeficiency virus Env residues at position 375, which resides at a critical location in the CD4-binding pocket and is under strong positive evolutionary pressure across the broad spectrum of primate lentiviruses. SHIVs containing primary or transmitted/founder HIV-1 subtype A, B, C, or D Envs with genotypic variants at residue 375 were constructed and analyzed in vitro and in vivo. Bulky hydrophobic or basic amino acids substituted for serine-375 enhanced Env affinity for rhCD4, virus entry into cells bearing rhCD4, and virus replication in primary rhCD4 T cells without appreciably affecting antigenicity or antibody-mediated neutralization sensitivity. Twenty-four RMs inoculated with subtype A, B, C, or D SHIVs all became productively infected with different Env375 variants-S, M, Y, H, W, or F-that were differentially selected in different Env backbones. Notably, SHIVs replicated persistently at titers comparable to HIV-1 in humans and elicited autologous neutralizing antibody responses typical of HIV-1. Seven animals succumbed to AIDS. These findings identify Env-rhCD4 binding as a critical determinant for productive SHIV infection in RMs and validate a novel and generalizable strategy for constructing SHIVs with Env glycoproteins of interest, including those that in humans elicit broadly neutralizing antibodies or bind particular Ig germ-line B-cell receptors.

ABSTRACT Neutralizing antibodies elicited by HIV-1 coevolve with viral Envs in distinctive patterns, in some cases acquiring substantial breadth. Here we show that primary HIV-1 Envs, when expressed by simian-human immunodeficiency viruses in rhesus macaques, elicited patterns of Env-antibody coevolution strikingly similar to those in humans. This included conserved immunogenetic, structural and chemical solutions to epitope recognition and precise Env-amino acid substitutions, insertions and deletions leading to virus persistence. The structure of one rhesus antibody, capable of neutralizing 49% of a 208-strain panel, revealed a V2-apex mode of recognition like that of human bNAbs PGT145/PCT64-35M. Another rhesus antibody bound the CD4-binding site by CD4 mimicry mirroring human bNAbs 8ANC131/CH235/VRC01. Virus-antibody coevolution in macaques can thus recapitulate developmental features of human bNAbs, thereby guiding HIV-1 immunogen design. One sentence summary Virus-antibody coevolution in rhesus macaques recapitulates developmental features of human antibodies.

Abstract Simian-human immunodeficiency virus (SHIV) chimeras contain the HIV-1 envelope ( env ) gene embedded within an SIVmac proviral backbone. Previously, we showed that substitution of Env residue 375-Ser by bulky aromatic residues enhances Env binding to rhesus CD4 and enables primary or transmitted/founder (T/F) HIV-1 Envs to support efficient SHIV replication in rhesus macaques (RMs). Here, we test this design strategy more broadly by constructing and analyzing SHIVs containing ten strategically selected primary or T/F HIV-1 Envs corresponding to subtypes A, B, C, AE and AG, each with six allelic variants at position 375. All ten SHIVs bearing wildtype Env375 residues replicated efficiently in human CD4 + T cells, but only one of these replicated efficiently in rhesus CD4 + T cells. This was a SHIV whose subtype AE Env naturally contained a bulky aromatic His residue at position 375. Replacement of wildtype Env375 residues by Trp, Tyr, Phe or His in the other nine SHIVs uniformly led to efficient replication in rhesus CD4+ T in vitro and in RMs in vivo . Env375-Trp – the residue found most frequently among SIV strains infecting Old World monkeys – was favored for SHIV replication in RMs, although some SHIVs preferred Env375-Tyr, -His or -Phe. Nine SHIVs containing optimized Env375 alleles were grown large scale in primary activated rhesus CD4 + T cells to serve as challenge stocks in preclinical prevention trials. These virus stocks were genetically homogeneous, native-like in Env antigenicity and tier-2 neutralization sensitivity, transmissible by rectal, vaginal, penile, oral or intravenous inoculation routes, and exhibited acute and early replication kinetics that were indistinguishable from HIV-1 infection in humans. Finally, to expedite future SHIV constructions and eliminate short redundant elements in tat1 and env gp41 that were spontaneously deleted in chronically infected monkeys, we engineered a simplified second-generation SHIV design scheme and validated it in RMs. Overall, our findings demonstrate that SHIVs bearing primary or T/F Envs with bulky aromatic amino acid substitutions at position Env375 consistently replicate in RMs, recapitulating many features of HIV-1 infection in humans. We further show that SHIV challenge stocks grown in primary rhesus CD4 + T cells are efficiently transmitted by mucosal routes common to HIV-1 infection and can be used effectively to test for vaccine efficacy in preclinical monkey trials.

Abstract HIV-1 and its SIV precursors share a broadly neutralizing antibody (bNAb) epitope in variable loop 2 (V2) at the envelope glycoprotein (Env) trimer apex. Here, we tested the immunogenicity of germline-targeting versions of a chimpanzee SIV (SIVcpz) Env in human V2-apex bNAb heavy-chain precursor-expressing knock-in mice and as chimeric simian-chimpanzee immunodeficiency viruses (SCIVs) in rhesus macaques (RMs). Trimer immunization of knock-in mice induced V2-directed NAbs, indicating activation of V2-apex bNAb precursor-expressing mouse B cells. SCIV infection of RMs elicited high-titer viremia, potent autologous tier 2 neutralizing antibodies, and rapid sequence escape in the canonical V2-apex epitope. Six of seven animals also developed low-titer heterologous plasma breadth that mapped to the V2-apex. Antibody cloning from two of these identified multiple expanded lineages with long heavy chain third complementarity determining regions that cross-neutralized as many as 7 of 19 primary HIV-1 strains, but with low potency. Negative stain electron microscopy (NSEM) of members of the two most cross-reactive lineages confirmed V2 targeting but identified an angle of approach distinct from prototypical V2-apex bNAbs, with antibody binding either requiring or inducing an occluded-open trimer. Probing with conformation-sensitive, non-neutralizing antibodies revealed that SCIV-expressed Envs as well as some primary HIV-1 Envs adopted a more open conformation, thereby exposing a conserved V2 epitope that is occluded in closed SIVcpz and HIV-1 Env trimers. These results expand the spectrum of V2-apex targeted antibodies that can contribute to neutralization breadth and identify novel SIV Env platforms for further development as germline-targeting and immunofocusing immunogens. One sentence summary A cryptic V2 epitope in occluded-open HIV and SIV Env trimers is the target of a new class of V2-directed cross-neutralizing antibodies.