Targeting a major HIV-1 vulnerability region: the gp41 membrane proximal external region. Balance between neutralizing and non-neutralizing antibodies and implications for vaccine design

Abstract

La generació d’anticossos àmpliament neutralitzants contra el VIH-1 es el principal objectiu d’una vacuna que sigui capaç de controlar l’epidèmia causada per aquest virus. La glicoproteïna de l’embolcall del VIH-1 es l’únic antigen viral exposat a la membrana del virus y la principal diana de respostes humorals protectores. Dins d’aquesta proteïna han sigut identificades regions funcionals reconegudes per anticossos àmpliament neutralitzants, fent possible la definició de punts de vulnerabilitat del virus, cap als que una vacuna hauria de dirigir-se. En aquest context, la regió externa pròxima a la membrana (MPER) de la gp41 es un dels llocs de vulnerabilitat més representatius del virus, ja que està altament conservat, té un paper crucial per a la infectivitat del virus i es reconegut per anticossos protectors àmpliament neutralitzants. Tot i així, la seva situació, prop a la membrana, fa que el MPER sigui un domini poc accessible, exposat de manera transitòria, hidrofòbic i altament influenciat pels lípids de la membrana. Per tant, la seva immunogenicitat presenta una alta complexitat que ha de ser explorada en major profunditat. En aquesta tesi, aportem nou coneixement sobre l’immunogenicitat del MPER durant l´infecció natural i en models animals d’immunització. S’han avaluat miniproteïnes derivades de la gp41 que sobreexposen el MPER, per ser utilitzades com 1) nous plataformes per a la detecció d’anticossos anti-MPER i 2) prototipus d’immunògens presentats en proteoliposomes de diversa composició. Els resultats van revelar una alta immunogenicitat del MPER en humans, que correlaciona amb la resposta global contra la proteïna de l’embolcall, suggerint que el sistema immune no té cap restricció per a la generació d’aquest tipus d’anticossos. Tot i així, els anticossos detectats van mostrar una funcionalitat heterogènia, tant pel que fa a la capacitat neutralitzant com a la competició per diferents epítops, independentment de l’especificitat per MPER. A més, aquest resultats van ser reproduïts en animals immunitzats. En aquest últims, s’ha aconseguit generar un alt títol d’anticossos específics, que van ser potenciats per la incorporació als proteoliposomes de lípids complexes que mimetitzaven als de la partícula viral. Sorprenentment, es va generar una resposta immunodominant no neutralitzant contra un epítop solapant amb el de l’anticòs neutralitzant 2F5. En resum, la resposta humoral contra el MPER a humans i animals immunitzats no va correlacionar amb la capacitat neutralizant d’aquests i els anticossos generats són principalment no neutralitzants. Aquests resultats suggereixen que el balanç de la resposta neutralitzant i no neutralitzant té una important rellevància en la resposta global contra el MPER. Conseqüentment, sembla necessari un major refinament d’immunògens capaços d’evitar respostes no neutralitzants. Aquest redisseny es veurà altament beneficiat pel coneixement generat a partir de nous anticossos monoclonals contra el MPER que recullin l’heterogeneïtat funcional observada als nostres estudis.

La generación de anticuerpos ampliamente neutralizantes contra el VIH-1 es el principal objetivo de una vacuna que sea capaz de controlar la epidemia causada por el virus. La glicoproteína de la envuelta del VIH-1 es el único antígeno viral expuesto en la membrana del virus y la principal diana de respuestas humorales protectoras. Dentro de esta proteína se han identificado regiones funcionales que son reconocidas por anticuerpos ampliamente neutralizantes, lo cual ha permitido establecer puntos de vulnerabilidad del virus hacia los que una vacuna debería dirigirse. En este contexto, la región externa próxima a la membrana (MPER) de gp41 es uno de los sitios de vulnerabilidad del virus más representativos, ya que está altamente conservado, juega un papel crucial en la infectividad del virus y es reconocido por anticuerpos protectores ampliamente neutralizantes. Sin embargo, su localización, contigua a la membrana, hace del MPER un dominio poco accesible, expuesto de forma transitoria, hidrofóbico y altamente influenciado por lípidos de membrana. En consecuencia, su inmunogenicidad presenta una alta complejidad que debe ser explorada en mayor profundidad. En esta tesis, aportamos nuevo conocimiento sobre la inmunogenicidad del MPER a nivel de la infección natural y en modelos animales de inmunización. Hemos evaluado miniproteínas basadas en gp41 que sobreexponen el MPER, para ser utilizadas como 1) nuevas plataformas para la detección de anticuerpos anti-MPER y 2) prototipos de inmunógenos presentados en proteoliposomas de diversa composición. Los resultados han revelado una alta inmunogenicidad del MPER en humanos, que correlaciona con la respuesta global contra la proteína de la envuelta. Esto sugiere que el sistema inmune no tiene una especial restricción para la generación de este tipo de anticuerpos. Sin embargo, los anticuerpos detectados mostraron una funcionalidad heterogénea, en términos de capacidad neutralizante y competición por diferentes epítopos, independientemente de la especificidad por el MPER. Además, los resultados fueron reproducidos en animales inmunizados. En estos últimos, conseguimos generar un alto título de anticuerpos específicos, potenciados por la incorporación en los proteoliposomas de mezclas lipídicas complejas que mimetizaban las de la partícula viral. Sorprendentemente, se generó una respuesta inmunodominante no neutralizante que solapaba con un epítopo reconocido por el anticuerpo neutralizante 2F5. En resumen, la repuesta humoral natural contra el MPER en pacientes infectados por el VIH-1 y la generada en modelos animales mediante inmunización comparten ciertas características como son la especificidad y la escasa capacidad neutralizante. Estos resultados sugieren que el balance entre la respuesta neutralizante y no neutralizante podría tener una importante relevancia en la respuesta global contra el MPER. De este modo, es necesario un mayor refinamiento de inmunógenos que sean capaces de sortear respuestas no neutralizantes. Este rediseño se verá altamente beneficiado del conocimiento generado a partir de nuevos anticuerpos monoclonales contra el MPER que reflejen la heterogeneidad funcional observada en nuestros estudios.

The elicitation of broadly neutralizing antibodies (bNAbs) against HIV-1 constitutes the major goal of an effective vaccine able to control the epidemic caused by this virus. The HIV-1 envelope glycoprotein is the only viral antigen exposed on the surface of the virus and the main target of protective humoral responses. The identification within this protein of functional regions recognized by bNAbs has delineated an HIV-1 vulnerability map that has guided efforts for rational immunogen design. In this regard, the gp41 Membrane Proximal External Region (MPER) is a major HIV-1 vulnerability site because is highly conserved, plays a major role in viral infectivity and is targeted by protective bNAbs. However, its localization, next to the viral membrane, results in a hardly accessible, transiently exposed and hydrophobic domain, strongly influenced by membrane lipids. Therefore, the immunogenicity of the MPER offers a high level of complexity that needs to be further explored. In this thesis we provide new knowledge on the MPER immunogenicity in both natural HIV-1 infection and immunization in animal models. We generated gp41-based miniproteins which properly exposed the MPER region that have been used 1) as novel platforms for MPER antibody detection and 2) as immunogen candidates presented in different proteoliposome compositions. In humans, the results revealed a strong immunogenicity of the MPER that correlated with a global response against the envelope glycoprotein suggesting no special constraints for the immune system to target this region. However, the antibodies elicited showed heterogeneous functionality in terms of neutralizing capacity and epitope competition, regardless MPER specificity. Interestingly, these results were reproduced by immunization in animal models. High antibody titers were achieved that were specially enhanced by the addition of lipid mixtures mimicking the viral membrane. Interestingly, a non-neutralizing immunodominant response against an epitope that overlapped the 2F5 neutralizing antibody binding motif was identified. Overall, the anti-MPER response in both humans and animal model settings was not correlated with the neutralizing capacity and antibodies detected or induced by immunization were preferentially non-neutralizing. Our results suggest that the balance between neutralizing and non neutralizing responses may represent an important issue in the global response against MPER. Therefore, further redesign of immunogens able to skip non-neutralizing determinants will benefit from the knowledge derived from new anti-MPER antibodies that reflect the functional heterogeneous profile observed in our studies.