Focused evolution of HIV-1 neutralizing antibodies revealed by structures and deep sequencing

Science. 2011 Sep 16;333(6049):1593-602. doi: 10.1126/science.1207532. Epub 2011 Aug 11.

Abstract

Antibody VRC01 is a human immunoglobulin that neutralizes about 90% of HIV-1 isolates. To understand how such broadly neutralizing antibodies develop, we used x-ray crystallography and 454 pyrosequencing to characterize additional VRC01-like antibodies from HIV-1-infected individuals. Crystal structures revealed a convergent mode of binding for diverse antibodies to the same CD4-binding-site epitope. A functional genomics analysis of expressed heavy and light chains revealed common pathways of antibody-heavy chain maturation, confined to the IGHV1-2*02 lineage, involving dozens of somatic changes, and capable of pairing with different light chains. Broadly neutralizing HIV-1 immunity associated with VRC01-like antibodies thus involves the evolution of antibodies to a highly affinity-matured state required to recognize an invariant viral structure, with lineages defined from thousands of sequences providing a genetic roadmap of their development.

Publication types

  • Research Support, N.I.H., Extramural
  • Research Support, N.I.H., Intramural
  • Research Support, Non-U.S. Gov't
  • Research Support, U.S. Gov't, Non-P.H.S.

MeSH terms

  • AIDS Vaccines
  • Amino Acid Sequence
  • Antibodies, Neutralizing / chemistry*
  • Antibodies, Neutralizing / genetics
  • Antibodies, Neutralizing / immunology*
  • Antibodies, Neutralizing / isolation & purification
  • Antibody Affinity
  • Antibody Specificity
  • Base Sequence
  • Binding Sites
  • Binding Sites, Antibody
  • CD4 Antigens / metabolism
  • Complementarity Determining Regions / genetics
  • Crystallography, X-Ray
  • Epitopes
  • Evolution, Molecular*
  • Genes, Immunoglobulin Heavy Chain
  • HIV Antibodies / chemistry*
  • HIV Antibodies / genetics
  • HIV Antibodies / immunology*
  • HIV Antibodies / isolation & purification
  • HIV Envelope Protein gp120 / chemistry
  • HIV Envelope Protein gp120 / immunology*
  • HIV Envelope Protein gp120 / metabolism
  • HIV Infections / immunology
  • HIV-1 / chemistry
  • HIV-1 / immunology*
  • High-Throughput Nucleotide Sequencing
  • Humans
  • Immunoglobulin Fab Fragments / chemistry
  • Immunoglobulin Fab Fragments / immunology
  • Immunoglobulin Heavy Chains / chemistry
  • Immunoglobulin Heavy Chains / immunology
  • Immunoglobulin J-Chains / genetics
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  • Immunoglobulin Light Chains / immunology
  • Models, Molecular
  • Molecular Sequence Data
  • Mutation
  • Sequence Analysis, DNA

Substances

  • AIDS Vaccines
  • Antibodies, Neutralizing
  • CD4 Antigens
  • Complementarity Determining Regions
  • Epitopes
  • HIV Antibodies
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  • Immunoglobulin Fab Fragments
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  • Immunoglobulin J-Chains
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