German Title: HIV-1 Immundiversion und Neutralisierende Antikoerper : HIV-1 Huellproteine in Festphasen Proteoliposomen als Antigene und Immunogene und T-Helfer Epitop Defekte in HIV-1 Huellproteinen

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Abstract

The HIV-1 envelope glycoproteins gp120 and gp41 mediate binding and fusion of the virus to target cells. The envelope glycoproteins are exposed on the surface of the virus as trimeric spikes and are the major targets for neutralizing antibodies. The design of envelope glycoprotein-based subunit vaccines has been frustrated by many viral immune escape mechanisms. Trimeric envelope glycoprotein formulations hold promise to overcome limitations of monomeric envelope glycoproteins as immunogens. The generation of native, trimeric envelope glycoprotein complexes, however, remains a major challenge. Here, solid-phase proteoliposomes containing native, trimeric HIV-1 envelope glycoprotein complexes that mimic the trimeric complex as it is found on the viral surface have been designed. In a comparative immunogenicity study, these proteoliposomes were shown to better elicit broadly neutralizing antibodies than gp120. A second trimeric envelope glycoprotein formulation, soluble YU2 gp140-GCN4 constructs, were also shown to better elicit broadly neutralizing antibodies in rabbits, extending a previous study in mice. These data support the hypothesis that trimeric envelope glycoprotein formulations are an advance over gp120-based immunogens. To date, only four broadly neutralizing antibodies against the HIV-1 envelope glycoproteins have been identified. Here, three novel Fab antibody fragments binding to the CD4 binding site of gp120 have been identified from phage-displayed antibody libraries with proteoliposomes. These Fab antibodies display some breadth and potency in neutralizing HIV-1. Comparison of the neutralizing activity of Fab antibodies and whole antibodies directed to the CD4 binding site suggests that these Fab antibodies may significantly gain neutralizing potency as whole antibodies. Many HIV-1 immune escape mechanisms complicate the elicitation of broadly neutralizing antibodies. Core gp120 envelope glycoproteins derived from primary isolate viruses were found to be deficient in T-helper epitopes. This finding is suggestive of yet another HIV-1 viral immune escape mechanism, the escape from recognition by CD4+ T-helper cells.

Translation of abstract (German)

Die HIV-1 Hüllproteine gp120 und gp41 vermitteln das Binden und Fusionieren von Virus an ihre Zielzellen. Die Hüllproteine sind auf der Virusmembran als trimere Komplexe exponiert und sind das Haupt-Ziel für neutralisierende Antikörper. Das Design von auf den Hüllproteinen basierenden Vakzinen wird durch viele virale Mechanismen, dem Immunsystem zu entkommen, erschwert. Trimere, native Hüllprotein-Formulierungen sind ein vielversprechender Ansatz, um die Limitierungen von monomeren Hüllproteinen zu überwinden. Die Herstellung solcher nativen, trimeren Komplexe wird jedoch durch deren Instabilität erschwert. In dieser Arbeit wurden Festphasen-Poteoliposomen, die native, trimere HIV-1 Hüllproteine in einer physiologischen Lipidmembran enthalten, hergestellt. Die biochemische Charakterisierung zeigt, dass diese Proteoliposomen die viralen Hüllprotein-Komplexe in nativer, trimerer Form bewahren. In einer vergleichenden Immunisierungsstudie wurde gezeigt, dass diese Proteoliposomen effizienter neutralisierende Antikörper in Kaninchen generieren als monomeres gp120. Eine zweite trimere Hüllprotein-Formulierung, lösliche Hüllprotein-Konstrukte mit heterologer Trimerisierungsdomäne, gp140-GCN4, konnte ebenso besser neutralisierende Antikörper in Kaninchen generieren als monomeres gp120. Diese Ergebnisse implizieren, dass trimere Hüllprotein-Formulierungen effektivere Immunogene sind als monomere. Bisher konnten nur vier potente, gegen die HIV-1 Hüllproteine gerichtete neutralisierende Antikörper identifiziert werden. Hier wurden drei weitere Fab Antikörper-Fragmente gegen die CD4-Bindestelle von gp120 identifiziert, die effektiv mehrere HIV-1 Isolate in vitro neutralisieren. Diese Fab Fragmente wurden aus Phagen-Antikörper Bibliotheken von HIV-1-infizierten asymptomatischen Patienten identifiziert. Ein Vergleich anderer gp120 CD4-Bindestellen Antikörper in in vitro Neutralisationsassays zeigt, dass komplette CD4-Bindestellen Antikörper im Vergleich zu Fab Fragmenten deutlich an Neutralisationspotential gewinnen können. Die hier identifizierten Fab Antikörper könnten daher neue Mitglieder der seltenen Klasse von HIV-1-neutralisierenden Antikörpern sein. HIV-1 benutzt viele verschiedene Mechanismen, um der Erkennung durch das Immunsystem zu entkommen. Unter anderem mutieren virale Proteine, um der Erkennung durch CD8+ zytotoxischen T-Zellen zu entkommen. Hier wurde gezeigt, dass Kern-Hüllproteine von Patientenisolaten einen Defekt in T-Helfer Epitopen besitzen. Dieses Phänomen wurde nicht bei in T-Zellinien adaptierten Isolaten gefunden, die in der Abwesenheit von neutralisierenden Antikörpern kultiviert wurden. Diese Ergebnisse deuten auf einen weiteren Mechanismus von HIV-1 hin, dem Immunsystem zu entkommen: Mutation von T-Helfer Epitopen, um der Erkennung durch CD4+ T-Helfer Zellen zu entkommen.