The entry of human immunodeficiency virus (HIV) into cells requires the sequential interaction of the viral exterior envelope glycoprotein, gp120, with the CD4 glycoprotein and a chemokine receptor on the cell surface. These interactions initiate a fusion of the viral and cellular membranes. Although gp120 can elicit virus-neutralizing antibodies, HIV eludes the immune system. We have solved the X-ray crystal structure at 2.5 A resolution of an HIV-1 gp120 core complexed with a two-domain fragment of human CD4 and an antigen-binding fragment of a neutralizing antibody that blocks chemokine-receptor binding. The structure reveals a cavity-laden CD4-gp120 interface, a conserved binding site for the chemokine receptor, evidence for a conformational change upon CD4 binding, the nature of a CD4-induced antibody epitope, and specific mechanisms for immune evasion. Our results provide a framework for understanding the complex biology of HIV entry into cells and should guide efforts to intervene.

The COVID-19 pandemic has had widespread effects across the globe, and its causative agent, SARS-CoV-2, continues to spread. Effective interventions need to be developed to end this pandemic. Single and combination therapies with monoclonal antibodies have received emergency use authorization1-3, and more treatments are under development4-7. Furthermore, multiple vaccine constructs have shown promise8, including two that have an approximately 95% protective efficacy against COVID-199,10. However, these interventions were directed against the initial SARS-CoV-2 virus that emerged in 2019. The recent detection of SARS-CoV-2 variants B.1.1.7 in the UK11 and B.1.351 in South Africa12 is of concern because of their purported ease of transmission and extensive mutations in the spike protein. Here we show that B.1.1.7 is refractory to neutralization by most monoclonal antibodies against the N-terminal domain of the spike protein and is relatively resistant to a few monoclonal antibodies against the receptor-binding domain. It is not more resistant to plasma from individuals who have recovered from COVID-19 or sera from individuals who have been vaccinated against SARS-CoV-2. The B.1.351 variant is not only refractory to neutralization by most monoclonal antibodies against the N-terminal domain but also by multiple individual monoclonal antibodies against the receptor-binding motif of the receptor-binding domain, which is mostly due to a mutation causing an E484K substitution. Moreover, compared to wild-type SARS-CoV-2, B.1.351 is markedly more resistant to neutralization by convalescent plasma (9.4-fold) and sera from individuals who have been vaccinated (10.3-12.4-fold). B.1.351 and emergent variants13,14 with similar mutations in the spike protein present new challenges for monoclonal antibody therapies and threaten the protective efficacy of current vaccines.

Designer Anti-HIV Developing a protective HIV vaccine remains a top global health priority. One strategy to identify potential vaccine candidates is to isolate broadly neutralizing antibodies from infected individuals and then attempt to elicit the same antibody response through vaccination (see the Perspective by Burton and Weiss ). Wu et al. (p. 856 , published online 8 July) now report the identification of three broadly neutralizing antibodies, isolated from an HIV-1–infected individual, that exhibited great breadth and potency of neutralization and were specific for the co-receptor CD4-binding site of the glycoprotein 120 (gp120), part of the viral Env spike. Zhou et al. (p. 811 , published online 8 July) analyzed the crystal structure for one of these antibodies, VRC01, in complex with an HIV-1 gp120. VRC01 focuses its binding onto a conformationally invariant domain that is the site of initial CD4 attachment, which allows the antibody to overcome the glycan and conformational masking that diminishes the neutralization potency of most CD4-binding-site antibodies. The epitopes recognized by these antibodies suggest potential immunogens that can inform vaccine design.

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.

Designer Anti-HIV Developing a protective HIV vaccine remains a top global health priority. One strategy to identify potential vaccine candidates is to isolate broadly neutralizing antibodies from infected individuals and then attempt to elicit the same antibody response through vaccination (see the Perspective by Burton and Weiss ). Wu et al. (p. 856 , published online 8 July) now report the identification of three broadly neutralizing antibodies, isolated from an HIV-1–infected individual, that exhibited great breadth and potency of neutralization and were specific for the co-receptor CD4-binding site of the glycoprotein 120 (gp120), part of the viral Env spike. Zhou et al. (p. 811 , published online 8 July) analyzed the crystal structure for one of these antibodies, VRC01, in complex with an HIV-1 gp120. VRC01 focuses its binding onto a conformationally invariant domain that is the site of initial CD4 attachment, which allows the antibody to overcome the glycan and conformational masking that diminishes the neutralization potency of most CD4-binding-site antibodies. The epitopes recognized by these antibodies suggest potential immunogens that can inform vaccine design.

Vaccines to prevent coronavirus disease 2019 (Covid-19) are urgently needed. The effect of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) vaccines on viral replication in both upper and lower airways is important to evaluate in nonhuman primates.Nonhuman primates received 10 or 100 μg of mRNA-1273, a vaccine encoding the prefusion-stabilized spike protein of SARS-CoV-2, or no vaccine. Antibody and T-cell responses were assessed before upper- and lower-airway challenge with SARS-CoV-2. Active viral replication and viral genomes in bronchoalveolar-lavage (BAL) fluid and nasal swab specimens were assessed by polymerase chain reaction, and histopathological analysis and viral quantification were performed on lung-tissue specimens.The mRNA-1273 vaccine candidate induced antibody levels exceeding those in human convalescent-phase serum, with live-virus reciprocal 50% inhibitory dilution (ID50) geometric mean titers of 501 in the 10-μg dose group and 3481 in the 100-μg dose group. Vaccination induced type 1 helper T-cell (Th1)-biased CD4 T-cell responses and low or undetectable Th2 or CD8 T-cell responses. Viral replication was not detectable in BAL fluid by day 2 after challenge in seven of eight animals in both vaccinated groups. No viral replication was detectable in the nose of any of the eight animals in the 100-μg dose group by day 2 after challenge, and limited inflammation or detectable viral genome or antigen was noted in lungs of animals in either vaccine group.Vaccination of nonhuman primates with mRNA-1273 induced robust SARS-CoV-2 neutralizing activity, rapid protection in the upper and lower airways, and no pathologic changes in the lung. (Funded by the National Institutes of Health and others.).

Current human immunodeficiency virus-1 (HIV-1) vaccines elicit strain-specific neutralizing antibodies. However, cross-reactive neutralizing antibodies arise in approximately 20% of HIV-1-infected individuals, and details of their generation could provide a blueprint for effective vaccination. Here we report the isolation, evolution and structure of a broadly neutralizing antibody from an African donor followed from the time of infection. The mature antibody, CH103, neutralized approximately 55% of HIV-1 isolates, and its co-crystal structure with the HIV-1 envelope protein gp120 revealed a new loop-based mechanism of CD4-binding-site recognition. Virus and antibody gene sequencing revealed concomitant virus evolution and antibody maturation. Notably, the unmutated common ancestor of the CH103 lineage avidly bound the transmitted/founder HIV-1 envelope glycoprotein, and evolution of antibody neutralization breadth was preceded by extensive viral diversification in and near the CH103 epitope. These data determine the viral and antibody evolution leading to induction of a lineage of HIV-1 broadly neutralizing antibodies, and provide insights into strategies to elicit similar antibodies by vaccination. Longitudinal sampling is used to map the evolution of an HIV-1 virus from the time of infection, and the co-evolution of a broadly neutralizing antibody in the same infected patient; the findings have important implications for HIV vaccine development. Hua-Xin Liao et al. followed the evolution of an HIV-1 virus, and the concurrent co-evolution of a CD4-binding-site broadly neutralizing antibody (BnAb), from the time of infection of a single African patient for a period of more than 3 years. The neutralizing antibody, of CH103 lineage, is a new type of BnAb that binds in a completely loop-based manner that differs from that of VRC01 class monoclonal antibodies — the CH103 lineage is less mutated, with fewer unusual macromutations and may be easier to induce. This work has implications for HIV vaccine development, suggesting viral strains that might generate broadly neutralizing antibodies within the host.

Designer Vaccine Respiratory syncytial virus (RSV) is one of the last remaining childhood diseases without an approved vaccine. Using a structure-based approach, McLellan et al. (p. 592 ) designed over 150 fusion glycoprotein variants, assessed their antibody reactivity, determined crystal structures of stabilized variants, and measured their ability to elicit protective responses. This approach yielded an immunogen that elicits higher protective responses than the postfusion form of the fusion glycoprotein, which is one of the current leading RSV vaccine candidates entering clinical trials. Importantly, highly protective responses were elicited in both mice and macaques.