Structural Characterizations of the Dimeric Anti-HIV Antibody 2G12 and the HIV-2 Envelope Glycoprotein

More than thirty years after the discovery that Human Immunodeficiency Virus (HIV) was the causative agent of Acquired Immunodeficiency Syndrome (AIDS), the disease remains pandemic as long as no effective universal vaccine is found. Over 34 million individuals in the world are infected with the virus, and the vast majority of them have no access to the antiretroviral therapies that have largely reduced HIV to a chronic disease in the developed world. The first chapter of this thesis introduces the history of the virus. The key to the infectious mechanism of the virus lies in its envelope glycoprotein (Env), a trimeric spike on the viral surface that utilizes host T cell receptors for entry. Though HIV-1 Env is immunogenic, most infected patients do not mount an effective neutralizing antibody response against it. Broadly-neutralizing anti-Env antibodies (bNAbs) present in the serum of a minority of infected individuals are usually sufficient to prevent the progression to full blown AIDS. Thus, the molecular details of these bNAbs as well as the antibody-antigen interface are of prime interest for structural studies, as insight gained would contribute to the design of a more effective immunogen and potential vaccine candidate. The second chapter of this thesis describes the low-resolution crystal structure of one such antibody, 2G12 dimer, which targets a high mannose epitope on the surface of Env. Patients infected with HIV-2, a related virus with ~35% sequence identity in the Env region, can generally mount a robust antibody response sufficient for viral control for reasons still unknown. The final two chapters of this thesis focus on the first reported structural studies of HIV-2 Env, the molecular details of which may inform HIV-1 therapy and immunogen design.

1、喜树碱类衍生物抗HIV构效关系与作用机制研究2、HIV/AIDS患者疱疹病毒感染状况及性病患者的HIV感染状况分析

1、喜树碱类衍生物抗HIV构效关系与作用机制研究 喜树碱为传统的抗肿瘤药物。本研究对经过化学结构修饰的喜树碱类衍生物进行抗HIV活性及作用机制的研究，并初步探讨了其抗HIV构效关系。 我们对喜树碱类衍生物A系列化合物A1(喜树碱)、A2(10-羟基喜树碱)及A3(7-羟基喜树碱)进行了抗HIV活性检测。化合物A1和A3有较好的抗HIV-1和抗HIV-2活性，化合物A2没有显示抗HIV活性。表明化合物A1的C-10位上-OH基团修饰可能会降低抗HIV活性，化合物A1的C-7位上-CH2OH基团修饰和C-20位-CH3缺失可能会提高其抗HIV活性。对化合物A3和A1的抗HIV机制研究发现：二者对整合酶有一定的结合活性，对慢性感染H9/HIV-1ⅢB 和Jurkat/HIV-1ⅢB细胞中病毒复制没有抑制活性、不能阻断H9/HIV-1ⅢB与正常细胞间的融合，对重组的HIV-1蛋白酶和逆转录酶没有抑制活性。化合物A1和A3不具有选择性杀伤HIV-1ⅢB慢性感染的H9和Jurkat细胞系的作用。进一步进行化合物A3诱导 H9和H9/HIV-1ⅢB、Jurkat和Jurkat/HIV-1ⅢB的凋亡实验显示，化合物A3诱导感染HIV-1ⅢB和未感染病毒细胞的凋亡没有选择性。据此我们初步认为化合物A3和A1的抗HIV作用可能与抑制整合酶活性有关，该化合物可能还作用于其它靶点。 喜树碱类衍生物B系列中化合物B1为20(S)-O - [-O-( 1'-氧基-2',2',6',6'-四甲基哌啶-4'-丁二酸)]-20-喜树碱酯，化合物B2为20(S)-O - [-N-( 1'-氧基-2',2',6',6'-四甲基-1',2',5',6'-四氢吡啶酰胺)-4'-丙氨酸)]-20-喜树碱酯)。我们对化合物B1和B2进行了抗HIV活性检测。结果显示：化合物B2有较好的抗HIV-1和抗HIV-21、喜树碱类衍生物抗HIV构效关系与作用机制研究 喜树碱为传统的抗肿瘤药物。本研究对经过化学结构修饰的喜树碱类衍生物进行抗HIV活性及作用机制的研究，并初步探讨了其抗HIV构效关系。 我们对喜树碱类衍生物A系列化合物A1(喜树碱)、A2(10-羟基喜树碱)及A3(7-羟基喜树碱)进行了抗HIV活性检测。化合物A1和A3有较好的抗HIV-1和抗HIV-2活性，化合物A2没有显示抗HIV活性。表明化合物A1的C-10位上-OH基团修饰可能会降低抗HIV活性，化合物A1的C-7位上-CH2OH基团修饰和C-20位-CH3缺失可能会提高其抗HIV活性。对化合物A3和A1的抗HIV机制研究发现：二者对整合酶有一定的结合活性，对慢性感染H9/HIV-1ⅢB 和Jurkat/HIV-1ⅢB细胞中病毒复制没有抑制活性、不能阻断H9/HIV-1ⅢB与正常细胞间的融合，对重组的HIV-1蛋白酶和逆转录酶没有抑制活性。化合物A1和A3不具有选择性杀伤HIV-1ⅢB慢性感染的H9和Jurkat细胞系的作用。进一步进行化合物A3诱导 H9和H9/HIV-1ⅢB、Jurkat和Jurkat/HIV-1ⅢB的凋亡实验显示，化合物A3诱导感染HIV-1ⅢB和未感染病毒细胞的凋亡没有选择性。据此我们初步认为化合物A3和A1的抗HIV作用可能与抑制整合酶活性有关，该化合物可能还作用于其它靶点。 喜树碱类衍生物B系列中化合物B1为20(S)-O - [-O-( 1'-氧基-2',2',6',6'-四甲基哌啶-4'-丁二酸)]-20-喜树碱酯，化合物B2为20(S)-O - [-N-( 1'-氧基-2',2',6',6'-四甲基-1',2',5',6'-四氢吡啶酰胺)-4'-丙氨酸)]-20-喜树碱酯)。我们对化合物B1和B2进行了抗HIV活性检测。结果显示：化合物B2有较好的抗HIV-1和抗HIV-2活性，而化合物B1的抗HIV活性差。表明化合物B1的C-4’位-CH2被-NH取代，同时C-3’位-CH3修饰可能会提高其抗HIV活性。对化合物B2的抗HIV机制研究发现，化合物B2对慢性感染H9/HIV-1ⅢB细胞中病毒复制没有抑制活性、不能阻断H9/HIV-1ⅢB与正常细胞间的融合，对HIV-1蛋白酶、重组的HIV-1逆转录酶及整合酶没有抑制活性。化合物B2不具有选择性杀伤HIV-1ⅢB慢性感染的H9细胞系的作用。化合物B2抗HIV的作用机制还需进一步研究。 2、HIV/AIDS患者疱疹病毒感染状况及性病患者的HIV感染状况分析 疱疹病毒是AIDS患者合并感染的常见病原体。引起人类疾病的8种疱疹病毒与HIV感染及AIDS进展、机会性感染、恶性肿瘤密切相关。为了解HIV/AIDS患者人类8型疱疹病毒感染状况，我们检测了30例AIDS患者、40例HIV携带者及70例正常对照的液标本中8型疱疹病毒感染状况。采用ELISA法检测单纯疱疹病毒1型(HSV-1)、单纯疱疹病毒2型(HSV-2)、水痘-带状疱疹病毒(VZV)和巨细胞病毒(CMV)；采用PCR法检测EB病毒(EBV)、疱疹病毒6型(HHV-6)、疱疹病毒7型(HHV-7)及疱疹病毒8型(HHV-8)。结果显示，HIV/AIDS患者中HSV-1、HSV-2、VZV、CMV、HHV-6、HHV-8 阳性率均高于健康体检者，其中AIDS患者VZV感染率与HIV携带者有显著性差异；在AIDS患者中多种疱疹病毒共感染普遍存在，必须重视HIV/AIDS患者合并疱疹病毒感染的防治。 性病可促进HIV的传播，了解性病患者的HIV感染状况及临床特征具有重要的意义。在自愿接受HIV咨询检测的基础上，对临床确诊的412例性病患者进行HIV-1/2抗体检测，并对其临床特征进行分析研究。结果显示412例性病患者的HIV检出率为2.9%。性病患者中检出HIV阳性率依次为：尖锐湿疣(6.2%)、生殖器疱疹(4.2%)、梅毒(3.4%)、淋病(1.5%)及非淋菌性尿道炎(1.0%)。83.3%合并感染HIV的性病患者存在多性伴，商业性行为普遍存在，安全套使用率极低现象。感染HIV的尖锐湿疣及生殖器疱疹患者以频繁复发为突出表现，1例合并感染HIV的梅毒患者半年即进展为神经梅毒。性病患者是HIV感染的重要高危人群，危险性行为是其感染HIV和其它性病的主要原因，应该加强性病患者的HIV检测。对临床上频繁复发的尖锐湿疣及生殖器疱疹患者、快速进展的梅毒患者应高度怀疑合并HIV感染的可能。

Proteasome inhibition interferes with Gag polyprotein processing, release, and maturation of HIV-1 and HIV-2

Retrovirus assembly and maturation involve folding and transport of viral proteins to the virus assembly site followed by subsequent proteolytic cleavage of the Gag polyprotein within the nascent virion. We report that inhibiting proteasomes severely decreases the budding, maturation, and infectivity of HIV. Although processing of the Env glycoproteins is not changed, proteasome inhibitors inhibit processing of Gag polyprotein by the viral protease without affecting the activity of the HIV-1 viral protease itself, as demonstrated by in vitro processing of HIV-1 Gag polyprotein Pr55. Furthermore, this effect occurs independently of the virus release function of the HIV-1 accessory protein Vpu and is not limited to HIV-1, as proteasome inhibitors also reduce virus release and Gag processing of HIV-2. Electron microscopy analysis revealed ultrastructural changes in budding virions similar to mutants in the late assembly domain of p6gag, a C-terminal domain of Pr55 required for efficient virus maturation and release. Proteasome inhibition reduced the level of free ubiquitin in HIV-1-infected cells and prevented monoubiquitination of p6gag. Consistent with this, viruses with mutations in PR or p6gag were resistant to detrimental effects mediated by proteasome inhibitors. These results indicate the requirement for an active proteasome/ubiquitin system in release and maturation of infectious HIV particles and provide a potential pharmaceutical strategy for interfering with retrovirus replication.

A epidemiologia da infeção por HIV-2

Dissertação para obtenção do grau de Mestre no Instituto Superior de Ciências da Saúde Egas Moniz

Expression and biochemical analysis of the entire HIV-2 gp41 ectodomain: determinants of stability map to N- and C-terminal sequences outside the 6-helix bundle core

The folding of HIV gp41 into a 6-helix bundle drives virus-cell membrane fusion. To examine the structural relationship between the 6-helix bundle core domain and other regions of gp41, we expressed in Escherichia coli, the entire ectodomain of HIV-2(ST) gp41 as a soluble, trimeric maltose-binding protein (MBP)/gp41 chimera. Limiting proteolysis indicated that the Cys-591-Cys-597 disulfide-bonded region is outside a core domain comprising two peptides, Thr-529-Trp-589 and Val-604-Ser-666. A biochemical examination of MBP/gp41 chimeras encompassing these core peptides; indicated that the N-terminal polar segment, 521-528, and C-terminal membrane-proximal segment, 658-666, cooperate in stabilizing the ectodomain. A functional interaction between sequences outside the gp41 core may contribute energy to membrane fusion. (C) 2004 Published by Elsevier B.V. on behalf of the Federation of European Biochemical Societies.

Greater CD8+ TCR heterogeneity and functional flexibility in HIV-2 compared to HIV-1 infection

Virus-specific CD8+ T cells are known to play an important role in the control of HIV infection. In this study we investigated whether there may be qualitative differences in the CD8+ T cell response in HIV-1- and HIV-2-infected individuals that contribute to the relatively efficient control of the latter infection. A molecular comparison of global TCR heterogeneity showed a more oligoclonal pattern of CD8 cells in HIV-1- than HIV-2-infected patients. This was reflected in restricted and conserved TCR usage by CD8+ T cells recognizing individual HLA-A2- and HLA-B57-restricted viral epitopes in HIV-1, with limited plasticity in their response to amino acid substitutions within these epitopes. The more diverse TCR usage observed for HIV-2-specific CD8 T cells was associated with an enhanced potential for CD8+ expansion and IFN- production on cross-recognition of variant epitopes. Our data suggest a mechanism that could account for any possible cross-protection that may be mediated by HIV-2-specific CD8+ T cells against HIV-1 infection. Furthermore, they have implications for HIV vaccine development, demonstrating an association between a polyclonal, virus-specific CD8+ T cell response and an enhanced capacity to tolerate substitutions within T cell epitopes.

APOBEC3 host factors modulate viral production and infectivity of HIV-2

Poster presented at the 15th European AIDS Conference/EACS. Barcelona, 21-24 October 2015.

HIV-2 viral production and infectivity are affected by APO3 host factors

Poster presented at the 7th Postgraduate iMed.ULisboa Students Meeting. Faculty of Pharmacy, Universidade de Lisboa, 15-16 July 2015.

Development of water-soluble polyanionic carbosilane dendrimers as novel and highly potent topical anti-HIV-2 microbicides

This is the author’s version of a work that was accepted for publication in Nanoscale.

Entry inhibitors and Carbosilane dendrimers are potent inhibitors of cell-associated HIV-2 infection

Poster presented at the 2015 Keystone Symposia Conference X5: HIV Vaccines. Banff, Alberta, Canada, 22-27 March 2015

Human immunodeficiency virus (HIV) type 2-mediated inhibition of HIV type 1: a new approach to gene therapy of HIV-infection.

Human immunodeficiency virus (HIV) type 2, the second AIDS-associated human retrovirus, differs from HIV-1 in its natural history, infectivity, and pathogenicity, as well as in details of its genomic structure and molecular behavior. We report here that HIV-2 inhibits the replication of HIV-1 at the molecular level. This inhibition was selective, dose-dependent, and nonreciprocal. The closely related simian immunodeficiency provirus also inhibited HIV-1. The selectivity of inhibition was shown by the observation that HIV-2 did not significantly downmodulate the expression of the unrelated murine leukemia virus; neither did the murine leukemia virus markedly affect HIV-1 or HIV-2 expression. Moreover, while HIV-2 potently inhibited HIV-1, the reverse did not happen, thus identifying yet another and remarkable difference between HIV-1 and HIV-2. Mutational analysis of the HIV-2 genome suggested that the inhibition follows a complex pathway, possibly involving multiple genes and redundant mechanisms. Introduction of inactivating mutations into the structural and regulatory/accessory genes did not render the HIV-2 provirus ineffective. Some of the HIV-2 gene defects, such as that of tat and rev genes, were phenotypically transcomplemented by HIV-1. The HIV-2 proviruses with deletions in the putative packaging signal and defective for virus replication were effective in inducing the suppressive phenotype. Though the exact mechanism remains to be defined, the inhibition appeared to be mainly due to an intracellular molecular event because it could not be explained solely on the basis of cell surface receptor mediated interference. The results support the notion that the inhibition likely occurred at the level of viral RNA, possibly involving competition between viral RNAs for some transcriptional factor essential for virus replication. Induction of a cytokine is another possibility. These findings might be relevant to the clinical-epidemiological data suggesting that infection with HIV-2 may offer some protection against HIV-1 infection.

S-DABO 类衍生物及AZT-氟喹喏酮类偶联物体外抗HIV 活性及机制研究

本论文由2 个相对独立的部分组成: S-DABO 类衍生物体外抗HIV 活性及 其机制研究和AZT－氟喹喏酮类偶联物体外抗HIV-1 活性及其机制研究。 HIV 逆转录酶抑制剂一直是抗HIV 药物研发的热点。该类抑制剂靶定在病 毒复制周期早期，为HAART 疗法提供了很多新的药物组合。目前FDA 批准上 市的逆转录酶抑制剂虽然有很多，但由于较严重的毒副作用、HIV 病毒易变异、 耐药性的出现等问题还需要开发更多的新的逆转录酶抑制剂。本论文对23 个 S-DABO 类化合物和8 个AZT－氟喹喏酮类偶联物的体外抗HIV 活性进行检 测，并对其中活性较高的化合物进行靶点和机制研究。 23 个S-DABO 类化合物采用对C8166 细胞的毒性试验，对HIV-1ⅢB 诱导的 合胞体形成的抑制试验和对HIV-1ⅢB 急性感染的MT-4 细胞的保护试验进行抗 HIV-1 活性初步筛选。试验结果发现所有化合物均对多种HIV 宿主细胞毒性小， 其中22 个化合物具有抗HIV-1 活性，特别是化合物RZK-4 和RZK-5，其对 HIV-1ⅢB 诱导的合胞体形成的SI 值（Selective index）分别为>16666 和>38462； RZK-4 和RZK-5 对HIV-1ⅢB 急性感染的MT-4 细胞的保护的SI 值分别为2666.67 和2150.54，与相应的阳性对照药品NVP（Nevirapine）的SI 值相接近。以p24 抗原水平为指标，对其中20 个化合物的抗HIV-1 活性进行确证，发现这20 个 化合物均能抑制 HIV-1ⅢB p24 抗原的产生，其中RZK-4 和RZK-5 的EC50 值分 别为5.93 和5.74ng/ml，比相应的阳性对照药品NVP（Nevirapine）的EC50 值 要低（27.3ng/ml）。这些化合物对试验株HIV-1MN、临床分离株HIV-1KM018、非 核苷类抑制剂耐药株HIV-1ⅢB A17 也有较好的抑制效果。但这23 个S-DABO 类化合物对HIV-2 病毒株均无抑制作用。通过检测化合物对感染与未感染细胞的 融合的抑制、对HIV-1 逆转录酶和蛋白酶活性的抑制、对慢性感染H9 细胞 （H9/HIV-1ⅢB）中病毒复制的抑制等试验来探讨化合物的抗HIV-1 机制。结果 显示：有20 个化合物对HIV-1 蛋白酶（PR）有抑制作用，其中有17 个化合物 对HIV-1 逆转录酶（RT）有抑制作用；但所有化合物均不能抑制感染与未感染 细胞的融合，也不能抑制慢性感染H9 细胞中病毒的复制。试验结果表明，这 23 个S-DABO 类化合物主要通过抑制HIV-1 逆转录酶来发挥作用，它们是典型 的非核苷类RT 抑制剂。 8 个AZT－氟喹喏酮类偶联物采用对C8166 细胞的毒性试验，对HIV-1ⅢB 诱导的合胞体形成的抑制试验和对HIV-1ⅢB急性感染的MT-4 细胞的保护试验 进行抗HIV-1 活性初步筛选。试验结果发现其中2 个化合物SRLZ 和SROZ 有 较显著的抗HIV-1 活性，其对HIV-1ⅢB诱导的合胞体形成抑制的SI 值分别为 >41667 和>105263；对HIV-1ⅢB 急性感染的MT-4 细胞的保护的SI 值分别为 30162 和 6368，与AZT（Zidothymidine）的SI 值相近似。以p24 抗原水平为 指标，对其抗HIV-1活性进行确证，发现化合物SRLZ和SROZ均能抑制HIV-1ⅢB p24 抗原的产生，其EC50 值分别为 0.71 和2.1ng/ml,比相应的阳性对照药品AZT 的EC50 值要低（3.5ng/ml）。化合物SRLZ 和SROZ 对临床分离株HIV-1KM018 也有较好的抑制活性，其EC50 值分别为1.4 和22ng/ml。通过检测化合物对慢 性感染H9 细胞（H9/HIV-1ⅢB）中病毒复制的抑制试验来探讨化合物的抗HIV-1 机制，结果表明化合物SRLZ 和SROZ 均不能抑制慢性感染H9 细胞中病毒的 复制。通过检测化合物对金黄色葡萄球菌的抑制作用来检测其抗菌活性，化合 物SRLZ 和SROZ 对金黄色葡萄球菌有较好的抑制作用，其MIC（Minimum inhibitory concentration）值分别为14.65 和7.32μg/ml，与其相应的阳性对照药 物的MIC 值相类似。试验结果表明：药物—药物偶连这种化学修饰方法并没有 改变AZT－氟喹喏酮类偶联物的抗HIV 作用靶点，但也没有较大地影响到其体 外抗病毒活性和抗微生物活性。

412例性病患者的HIV感染状况及临床特征

目的了解性病患者的艾滋病病毒(HIV)感染状况并分析其临床特征。方法自愿接受HIV咨询检测的基础上,对临床确诊的412例性病患者进行HIV-1/2抗体检测,并对其临床特征进行分析研究。结果412例性病患者的HIV检出率为2.9%。性病患者中检出HIV阳性率依次为:尖锐湿疣6.2%,生殖器疱疹4.2%,梅毒3.4%,淋病1.5%,非淋菌性尿道炎1.0%。合并感染HIV的性病患者中,83.3%的患者有多性伴,商业性行为普遍存在,安全套使用率极低。感染HIV的尖锐湿疣患者及生殖器疱疹患者以频繁复发为突出表现,1例合并感染HIV的梅毒患者半年即进展为神经梅毒。结论性病患者是HIV感染的重要高危人群,危险性行为是其感染HIV和其它性病的主要原因,应该加强性病患者的HIV监测。对临床上频繁复发的尖锐湿疣及生殖器疱疹患者,快速进展的梅毒患者,应高度怀疑合并HIV感染的可能。

顶体反应抑制剂4'- 乙酰胺苯基4-胍基苯甲酸酯(AGB)具有阻断HIV-1进入细胞的作用

】目的: 研究4'- 乙酰胺苯基4- 胍基苯甲酸酯(AGB)抗 HIV-1 活性及作用靶点。方法: 通过 AGB对宿主细胞的毒性实验、合胞体抑制实验、融合阻断实验、对HIV-1感染细胞的保护作用实 验和对HIV-1急性感染细胞p24抗原产生的抑制作用等试验，观察AGB对HIV-1复制的影响和作 关键词: AGB; HIV-1; 病毒进入; 杀微生物剂; 杀精子活性 中图分类号: R967; 文献标识码: A 文章编号: 0253-357X(2005)11-0660-05 本研究为国家高技术研究发展计划(2003AA219142)、国 家科技攻关计划 (2004BA719A14)、中国科学院知识创新 工程重要方向(KSCX2-SW-216; KSCX12-SW-11)、云南 省科技攻关计划(2004NG12)和云南省生育调节与少数民 族优生研究重点实验室资助项目 通讯作者: 郑永唐; Tel: +86-871-5195684; Fax:+86-871-5191823; E-mail: zhengyt@mail.kiz.ac.cn 在我国, 人免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus, HIV)危害日趋严重，处在全国低流行 与局部地区及特定人群高流行并存的态势。卫生部 的数据显示，截止2005 年3 月底，全国累计报告 HIV 感染者114 703 例。专家估计我国实际HIV 感 染者超过100 万人。预计到2010 年, 全国HIV感染 者将突破千万。截止2004 年底, 云南省累计报告的 HIV 感染者已达28 391 人, 是全国流行最严重的地 区。艾滋病流行正由高危人群向一般人群传播。 新的证据显示近年来由性传播途径感染的比例有所 上升, 女性感染者的比例有较大幅度的上升, 迫切需 要发展一种女性可自主控制的方法 [1]。杀微生物剂 是可以局部用药于阴道和宫颈、能够杀灭或抑制 包括HIV等病毒性和细菌性病原体、人工合成或天 然的药物。具有避孕作用的杀微生物剂更是近年 来的研究热点，也具有广阔的应用前景[2,3]。 顶体酶是存在于精子顶体内的一种类胰蛋白 酶, 它是受精过程中的一种重要的蛋白水解酶, 此酶 能水解卵细胞的透明带, 使精子能够与卵细胞相融 合; 顶体酶还能促进生殖系统中激肽的释放, 后者能 够增强精子的活力和促进精子的运动, 顶体酶的失 活将导致不孕[4]。AGB(4'- 乙酰胺苯基 4- 胍基苯甲 酸酯)是顶体酶的抑制剂, 实验表明在多种动物中有 很好的杀精子作用[5-7]。Bourimbaiar等[8]曾报道AGB 还具有体外抗HIV-1的作用, 活性较N-9高, 且毒性 较小。在本实验中, 我们发现AGB 的体外抗HIV-1 活性主要是阻断HIV-1 进入细胞。 用机制。结果: AGB抑制HIV-1IIIB诱导C8166细胞形成合胞体, EC50为39.5 μg/ml; 抑制HIV-1感染 细胞上清中HIV-1 p24抗原的表达, EC50为33.36 μg/ml; 阻断HIV-1慢性感染H9细胞与正常C8166 细胞间融合的作用。结论: AGB具有阻断HIV-1 进入宿主细胞的作用，是一种有前景的具杀精子 作用的杀微生物剂。