Optimizing glycan shield coverage, germline B cell receptor binding and epitope diversity of V2-apex targeted HIV-1 Env immunogens

项目摘要 HIV/AIDS疫苗研究的一个中心目标是激发广泛中和抗体（bNAb）。 在这里， 我们建议利用我们小组最近的三项发现来产生新的包膜（Env）免疫原 靶向三聚体顶点的V1V2区域。 通过研究HIV-11 Env聚糖盾的进化， 发现在传输的创始者（TF）Env中的未屏蔽区域（"聚糖孔"）与 与bNAb的发育有关，表明菌株特异性聚糖孔延迟或破坏bNAb的发育（1）。 产生bNAb敏感性标签以设计新型基于标签的表位靶向（SET）疫苗，我们 发现V2-BASSET免疫原在豚鼠中诱导的2级异源NAb比在豚鼠中诱导的2级异源NAb更广泛、更有效。 野生型Envs，表明包含bNAb标签显著改善了疫苗性能（2）。 在100只恒河猴（RM）中研究了20种新型SHIV（3），我们发现约15%的动物发生了不同程度的SHIV。 6 - 10 - 24个月时异源宽度的程度，最常见的bNAb特异性靶向V2心尖 （见表1）。 然而，SHIV感染中的bNAb诱导仍然不常见，因此提供了独特的实验方法。 设置以测试迭代Env设计改进的方式，比人体试验更快，成本更低。 我们的假设是，通过（i）最小化分散的聚糖孔表位，（ii）增加Env对V2顶点的亲和力， bNA B前体，（iii）增加疫苗加强中的相关表位多样性，和（iv）掺入B细胞谱系 通过免疫原设计，我们将改善V2 bNAb种系接合和bNAb谱系成熟。 我们有 选择CRF.AG.T250（T250）和CAP256SU（CAP256）Envs作为基线免疫原，因为这两种Envs均 在SHIV感染的RM中产生V2顶端bNAb（表1）。 在目标#1中，我们将优化Env聚糖 T250和CAP 256 Env屏蔽和V2种系靶向性质，测试它们的复制潜力和第2层 SHIV载体中的抗原性，并向下选择用于随后感染RM的最佳表现集。在aim中 #2，我们将比较表达野生型（WT）、聚糖酶优化的（GLY-SHP）和表达野生型（WT）的SHIV的bNAb诱导能力。 OPT），以及RM中相同Env的聚糖和种系优化（GLY/UCA-GST-OPT）版本，并确定 包膜抗体（Env-Ab）的共同进化途径，在所有的动物发展中和宽度。在目标3中， 我们将利用Env-mAb共进化数据和V2-ESTSET， 策略为指导，并使用核苷-β-修饰的mRNA含有脂质纳米粒 (mRNA/LNP），其表达稳定的膜结合gp160。 我们将为RM配备性能最佳的产品 目标#2的Env，然后比较该Env与两种加强方案的bNAb诱导能力 特别设计以增加相关表位多样性。 免疫RM将接受低剂量重复 直肠SHIV攻击，以评估其保护水平，如最近所述（4），并研究其突破 感染.通过同时应用多种疫苗改进策略，我们期望改进V2顶点 在RM中诱导bNAb，并将这些发现转化为更有效的人类疫苗。

PROJECT SUMMARY  A  central  goal  in  HIV/AIDS  vaccine  research  is  the elicitation  of  broadly neutralizing antibodies  (bNAbs).  Here,  we propose to leverage three recent discoveries from our groups to generate novel envelope (Env) immunogens  that  target  the  V1V2  region  of  the  trimer  apex.  By  studying  the  evolution  of  the  HIV-­1  Env  glycan  shield,  we  discovered that unshielded regions (“glycan holes”) in transmitted founder (TF) Envs are negatively associated  with  bNAb  development,  suggesting  that  strain-­specific  glycan  holes  delay  or  subvert  bNAb  development  (1).  Generating bNAb sensitivity signatures to design novel Signature-­based Epitope Targeted  (SET) vaccines, we  found that V2-­SET immunogens induced broader and more potent tier 2 heterologous NAbs in guinea pigs than  wild-­type  Envs,  indicating  that  inclusion  of  bNAb  signatures  significantly  improved  vaccine  performance  (2).  Studying 20 novel SHIVs in ~100 rhesus macaques (RMs) (3), we found that ~15% of animals developed varying  degrees of heterologous breadth by 6-­24 months, with the most common bNAb specificity targeting the V2 apex  (Table  1).  However,  bNAb  induction  in  SHIV  infection  is  still  infrequent,  thus  providing  a  unique  experimental  setting  to  test  iterative  Env  design  improvements  in  a  manner  that  is  faster  and  less  costly  than  human  trials.  Our hypothesis is that by (i) minimizing distracting glycan hole epitopes, (ii) increasing Env affinity for V2 apex  bNAb precursors, (iii) increasing relevant epitope diversity in vaccine  boosts, and (iv) incorporating B cell lineage  immunogen designs,  we  will  improve V2  bNAb  germline engagement  and bNAb  lineage  maturation.  We have  selected  the  CRF.AG.T250  (T250)  and  CAP256SU  (CAP256)  Envs  as  baseline  immunogens,  because  both  have  generated  V2  apex  bNAbs  in  SHIV  infected  RMs  (Table  1).  In  Aim  #1,  we  will  optimize  the  Env  glycan  shield and V2 germline targeting properties of T250 and CAP256 Envs, test their replication potential and tier 2  antigenicity in SHIV vectors, and down-­select the best performing set for subsequent infection of RMs. In Aim  #2,  we will  compare the bNAb induction capacity of SHIVs expressing wildtype (WT), glycan-­optimized (GLY-­ OPT), and glycan and germline-­optimized (GLY/UCA-­OPT) versions of the same Env in RMs and determine the  envelope-­antibody (Env-­Ab) coevolution pathways in all animals that develop neutralization breadth. In Aim #3,  we  will  rationally  design  new  V2  apex  directed  immunogens  using  Env-­Ab  co-­evolution  data  and  the  V2-­SET  strategy  as  a  guide,  and  deliver  them  using  nucleoside-­modified  mRNA  containing  lipid  nanoparticles  (mRNA/LNPs) that express  stabilized,  membrane  bound  gp160s.  We  will  prime  RMs  with  the  best performing  Env from Aim #2, and then compare the bNAb induction capacity of this Env with that of two boosting regimens  specifically  designed  to  increase  relevant  epitope  diversity.  Immunized  RMs  will  receive  a  low-­dose  repetitive  rectal SHIV challenge to assess their level of protection as recently described (4) and to study their breakthrough  infections. By simultaneously applying multiple vaccine improvement strategies, we expect to improve V2 apex  bNAb induction in RMs and translate these findings into more effective vaccines for humans.