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.

T-20 is a synthetic peptide that potently inhibits replication of human immunodeficiency virus type 1 by interfering with the transition of the transmembrane protein, gp41, to a fusion active state following interactions of the surface glycoprotein, gp120, with CD4 and coreceptor molecules displayed on the target cell surface. Although T-20 is postulated to interact with an N-terminal heptad repeat within gp41 in a trans-dominant manner, we show here that sensitivity to T-20 is strongly influenced by coreceptor specificity. When 14 T-20-naive primary isolates were analyzed for sensitivity to T-20, the mean 50% inhibitory concentration (IC(50)) for isolates that utilize CCR5 for entry (R5 viruses) was 0.8 log(10) higher than the mean IC(50) for CXCR4 (X4) isolates (P = 0. 0055). Using NL4.3-based envelope chimeras that contain combinations of envelope sequences derived from R5 and X4 viruses, we found that determinants of coreceptor specificity contained within the gp120 V3 loop modulate this sensitivity to T-20. The IC(50) for all chimeric envelope viruses containing R5 V3 sequences was 0.6 to 0.8 log(10) higher than that for viruses containing X4 V3 sequences. In addition, we confirmed that the N-terminal heptad repeat of gp41 determines the baseline sensitivity to T-20 and that the IC(50) for viruses containing GIV at amino acid residues 36 to 38 was 1.0 log(10) lower than the IC(50) for viruses containing a G-to-D substitution. The results of this study show that gp120-coreceptor interactions and the gp41 N-terminal heptad repeat independently contribute to sensitivity to T-20. These results have important implications for the therapeutic uses of T-20 as well as for unraveling the complex mechanisms of virus fusion and entry.

Heterosexual transmission accounts for the majority of human immunodeficiency virus–1 (HIV-1) infections worldwide, yet the viral properties that determine transmission fitness or outgrowth have not been elucidated. Here we show, for eight heterosexual transmission pairs, that recipient viruses were monophyletic, encoding compact, glycan-restricted envelope glycoproteins. These viruses were also uniquely sensitive to neutralization by antibody from the transmitting partner. Thus, the exposure of neutralizing epitopes, which are lost in chronic infection because of immune escape, appears to be favored in the newly infected host. This reveals characteristics of the envelope glycoprotein that influence HIV-1 transmission and may have implications for vaccine design.

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.

HIV entry inhibitors include coreceptor antagonists and the fusion inhibitor T-20. T-20 binds the first helical region (HR1) in the gp41 subunit of the viral envelope (Env) protein and prevents conformational changes required for membrane fusion. HR1 appears to become accessible to T-20 after Env binds CD4, whereas coreceptor binding is thought to induce the final conformational changes that lead to membrane fusion. Thus, T-20 binds to a structural intermediate of the fusion process. Primary viruses exhibit considerable variability in T-20 sensitivity, and determinants outside of HR1 can affect sensitivity by unknown mechanisms. We studied chimeric Env proteins containing different V3 loop sequences and found that gp120/coreceptor affinity correlated with T-20 and coreceptor antagonist sensitivity, with greater affinity resulting in increased resistance to both classes of entry inhibitors. Enhanced affinity resulted in more rapid fusion kinetics, reducing the time during which Env is sensitive to T-20. Reduced coreceptor expression levels also delayed fusion kinetics and enhanced virus sensitivity to T-20, whereas increased coreceptor levels had the opposite effect. A single amino acid change (K421D) in the bridging sheet region of the primary virus strain YU2 reduced affinity for CCR5 and increased T-20 sensitivity by about 30-fold. Thus, mutations in Env that affect receptor engagement and membrane fusion rates can alter entry inhibitor sensitivity. Because coreceptor expression levels are typically limiting in vivo , individuals who express lower coreceptor levels may respond more favorably to entry inhibitors such as T-20, whose effectiveness we show depends in part on fusion kinetics.

ABSTRACT A standard panel of subtype C human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) Env-pseudotyped viruses was created by cloning, sequencing, and characterizing functional gp160 genes from 18 acute and early heterosexually acquired infections in South Africa and Zambia. In general, the gp120 region of these clones was shorter (most evident in V1 and V4) and less glycosylated compared to newly transmitted subtype B viruses, and it was underglycosylated but no different in length compared to chronic subtype C viruses. The gp120s also exhibited low amino acid sequence variability (12%) in V3 and high variability (39%) immediately downstream of V3, a feature shared with newly transmitted subtype B viruses and chronic viruses of both subtypes. When tested as Env-pseudotyped viruses in a luciferase reporter gene assay, all clones possessed an R5 phenotype and resembled primary isolates in their sensitivity to neutralization by HIV-1-positive plasmas. Results obtained with a multisubtype plasma panel suggested partial subtype preference in the neutralizing antibody response to infection. The clones were typical of subtype C in that all were resistant to 2G12 (associated with loss of N-glycosylation at position 295) and most were resistant to 2F5, but all were sensitive to 4E10 and many were sensitive to immunoglobulin G1b12. Finally, conserved neutralization epitopes in the CD4-induced coreceptor binding domain of gp120 were poorly accessible and were difficult to induce and stabilize with soluble CD4 on Env-pseudotyped viruses. These results illustrate key genetic and antigenic properties of subtype C HIV-1 that might impact the design and testing of candidate vaccines. A subset of these gp160 clones are suitable for use as reference reagents to facilitate standardized assessments of vaccine-elicited neutralizing antibody responses.

The HIV-1 epidemic in sub-Saharan Africa is driven largely by heterosexual transmission of non-subtype B viruses, of which subtypes C and A are predominant. Previous studies of subtype B and subtype C transmission pairs have suggested that a single variant from the chronically infected partner can establish infection in their newly infected partner. However, in subtype A infected individuals from a sex worker cohort and subtype B individuals from STD clinics, infection was frequently established by multiple variants. This study examined over 1750 single-genome amplified viral sequences derived from epidemiologically linked subtype C and subtype A transmission pairs very early after infection. In 90% (18/20) of the pairs, HIV-1 infection is initiated by a single viral variant that is derived from the quasispecies of the transmitting partner. In addition, the virus initiating infection in individuals who were infected by someone other than their spouse was characterized to determine if genital infections mitigated the severe genetic bottleneck observed in a majority of epidemiologically linked heterosexual HIV-1 transmission events. In nearly 50% (3/7) of individuals infected by someone other than their spouse, multiple genetic variants from a single individual established infection. A statistically significant association was observed between infection by multiple genetic variants and an inflammatory genital infection in the newly infected individual. Thus, in the vast majority of HIV-1 transmission events in cohabiting heterosexual couples, a single genetic variant establishes infection. Nevertheless, this severe genetic bottleneck can be mitigated by the presence of inflammatory genital infections in the at risk partner, suggesting that this restriction on genetic diversity is imposed in large part by the mucosal barrier.

Introduction: Polymerase delta-interacting protein-2 (Poldip2) mediates inflammation and endothelial permeability. Infection with Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus-2 (SARS-CoV-2) results in lung inflammation and edema. We therefore hypothesized that Poldip2 inhibition may preserve endothelial barrier function and reduce inflammation in response to SARS-CoV-2 infection. Methods: Humanized ACE2 C57/Bl6 male and female mice were intranasally inoculated with SARS-CoV-2 or PBS vehicle. Poldip2 inhibition was achieved using BC-1215, an anti-inflammatory agent that targets Poldip2 based on molecular docking modeling. Mice received daily i.p. injections of 100 μg BC-1215 or saline for 7 days. Bronchoalveolar lavage (BAL) fluid was collected at 7 days for cell counts and ELISA determination of cytokine production. Lungs were harvested for qPCR. Results: Initial dosing experiments established a SARS-CoV-2 infection model and indicated that 4x10 5 infectious units of SARS-CoV-2 increased viral N2 copy number to 1.1x10 6 in the lung, but not heart and liver. The SARS-CoV-2 increase in CXCL1 mRNA in the lung was reduced by BC-1215 (5.9x10 -10 vs 7.6x10 -11 , P<0.05). TNF-α and MCP1 mRNA levels also trended down after BC-1215 treatment (5.9x10 -10 vs 2.1x10 -10 and 1.3x10 -09 vs 6.6x10 -10 , respectively). In BAL fluid, SARS-CoV-2-induced TNF-α (16.7pg/mL vs 6.0pg/mL, P<0.05) and IFN- γ (619.3pg/mL vs 1703.7pg/mL, P<0.05) levels were reduced by BC-1215. Protein accumulation and cell counts in BAL also trended down after BC-1215 treatment (protein 1325 mg/mL vs 805 mg/mL, cell number 202,833 vs 117,860). Conclusion: Inhibition of Poldip2 by BC-1215 treatment reduced TNF-α, CXCL1, IFN-γ in SARS-CoV-2 infected mice, suggesting that BC-1215 is a promising agent for treatment of COVID-19.