Immunological and virological characteristics of human immunodeficiency virus type 1 superinfection: implications in vaccine design

Yang Gao , Wen Tian , Xiaoxu Han , Feng Gao

Front. Med. ›› 2017, Vol. 11 ›› Issue (4) : 480 -489.

PDF (267KB)
Front. Med. ›› 2017, Vol. 11 ›› Issue (4) : 480 -489. DOI: 10.1007/s11684-017-0594-8
REVIEW
REVIEW

Immunological and virological characteristics of human immunodeficiency virus type 1 superinfection: implications in vaccine design

Author information +
History +
PDF (267KB)

Abstract

Superinfection is frequently detected among individuals infected by human immunodeficiency virus type I (HIV-1). Superinfection occurs at similar frequencies at acute and chronic infection stages but less frequently than primary infection. This observation indicates that the immune responses elicited by natural HIV-1 infection may play a role in curb of superinfection; however, these responses are not sufficiently strong to completely prevent superinfection. Thus, a successful HIV-1 vaccine likely needs to induce more potent and broader immune responses than those elicited by primary infection. On the other hand, potent and broad neutralization responses are more often detected after superinfection than during monoinfection. This suggests that broadly neutralizing antibodies are more likely induced by sequential immunization of multiple different immunogens than with only one form of envelope glycoprotein immunogens. Understanding why the protection from superinfection by immunity induced by primary infection is insufficient and if superinfection can lead to cross-reactive immune responses will be highly informative for HIV-1 vaccine design.

Keywords

human immunodeficiency virus type I / superinfection / incidence / immune response

Cite this article

Download citation ▾
Yang Gao, Wen Tian, Xiaoxu Han, Feng Gao. Immunological and virological characteristics of human immunodeficiency virus type 1 superinfection: implications in vaccine design. Front. Med., 2017, 11(4): 480-489 DOI:10.1007/s11684-017-0594-8

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

References

[1]

Allen TMAltfeld M. HIV-1 superinfection. J Allergy Clin Immunol 2003112(5): 829–835, quiz 836

[2]

Smith DMRichman DDLittle SJ. HIV superinfection. J Infect Dis 2005192(3): 438–444

[3]

Waters LSmit E. HIV-1 superinfection. Curr Opin Infect Dis 201225(1): 42–50

[4]

Ramos AHu DJNguyen LPhan KOVanichseni SPromadej NChoopanya KCallahan MYoung NLMcNicholl JMastro TDFolks TMSubbarao S. Intersubtype human immunodeficiency virus type 1 superinfection following seroconversion to primary infection in two injection drug users. J Virol 200276(15): 7444–7452

[5]

Manigart OCourgnaud VSanou OValéa DNagot NMeda NDelaporte EPeeters MVan de Perre P. HIV-1 superinfections in a cohort of commercial sex workers in Burkina Faso as assessed by an autologous heteroduplex mobility procedure. AIDS 200418(12): 1645–1651

[6]

Hu DJSubbarao SVanichseni SMock PARamos ANguyen LChaowanachan TGriensven FvChoopanya KMastro TDTappero JW. Frequency of HIV-1 dual subtype infections, including intersubtype superinfections, among injection drug users in Bangkok, Thailand. AIDS 200519(3): 303–308

[7]

Smith DMStrain MCFrost SDPillai SKWong JKWrin TLiu YPetropolous CJDaar ESLittle SJRichman DD. Lack of neutralizing antibody response to HIV-1 predisposes to superinfection. Virology 2006355(1): 1–5

[8]

Redd ADCollinson-Streng AMartens CRicklefs SMullis CEManucci JTobian AASelig EJLaeyendecker OSewankambo NGray RHSerwadda DWawer MJPorcella SFQuinn TC; Rakai Health Sciences Program.Identification of HIV superinfection in seroconcordant couples in Rakai, Uganda, by use of next-generation deep sequencing. J Clin Microbiol 201149(8): 2859–2867

[9]

Redd ADSsemwanga DVandepitte JWendel SKNdembi NBukenya JNakubulwa SGrosskurth HParry CMMartens CBruno DPorcella SFQuinn TCKaleebu P. Rates of HIV-1 superinfection and primary HIV-1 infection are similar in female sex workers in Uganda. AIDS 201428(14): 2147–2152

[10]

Redd ADMullis CESerwadda DKong XMartens CRicklefs SMTobian AAXiao CGrabowski MKNalugoda FKigozi GLaeyendecker OKagaayi JSewankambo NGray RHPorcella SFWawer MJQuinn TC. The rates of HIV superinfection and primary HIV incidence in a general population in Rakai, Uganda. J Infect Dis 2012206(2): 267–274

[11]

Altfeld MAllen TMYu XGJohnston MNAgrawal DKorber BTMontefiori DCO’Connor DHDavis BTLee PKMaier ELHarlow JGoulder PJBrander CRosenberg ESWalker BD. HIV-1 superinfection despite broad CD8+ T-cell responses containing replication of the primary virus. Nature 2002420(6914): 434–439

[12]

Basu DKraft CSMurphy MKCampbell PJYu THraber PTIrene CPinter AChomba EMulenga JKilembe WAllen SADerdeyn CAHunter E. HIV-1 subtype C superinfected individuals mount low autologous neutralizing antibody responses prior to intrasubtype superinfection. Retrovirology 20129(1): 76

[13]

Basu DXiao PEnde ZBere ABritt WJMulenga JKilembe WAllen SADerdeyn CAHunter E. Low antibody-dependent cellular cytotoxicity responses in Zambians prior to HIV-1 intrasubtype C superinfection. Virology 2014462-463: 295–298

[14]

Blish CADogan OCDerby NRNguyen MAChohan BRichardson BAOverbaugh J. Human immunodeficiency virus type 1 superinfection occurs despite relatively robust neutralizing antibody responses. J Virol 200882(24): 12094–12103

[15]

Sun MZheng HXie YLi BLong HGuo GGuo LWang JNing RLi YLiu L. Functional effector memory T cells contribute to protection from superinfection with heterologous simian immunodeficiency virus or simian-human immunodeficiency virus isolates in Chinese rhesus macaques. Arch Virol 2017162(5): 1211–1221

[16]

Cortez VWang BDingens AChen MMRonen KGeorgiev ISMcClelland RSOverbaugh J. The broad neutralizing antibody responses after HIV-1 superinfection are not dominated by antibodies directed to epitopes common in single infection. PLoS Pathog 201511(7): e1004973

[17]

Powell RLKinge TNyambi PN. Infection by discordant strains of HIV-1 markedly enhances the neutralizing antibody response against heterologous virus. J Virol 201084(18): 9415–9426

[18]

Cortez VOdem-Davis KMcClelland RSJaoko WOverbaugh J. HIV-1 superinfection in women broadens and strengthens the neutralizing antibody response. PLoS Pathog 20128(3): e1002611

[19]

Jost SBernard MCKaiser LYerly SHirschel BSamri AAutran BGoh LEPerrin L. A patient with HIV-1 superinfection. N Engl J Med 2002347(10): 731–736

[20]

van der Kuyl ACCornelissen M. Identifying HIV-1 dual infections. Retrovirology 20074(1): 67

[21]

Wagner GAPacold MEKosakovsky Pond SLCaballero GChaillon ARudolph AEMorris SRLittle SJRichman DDSmith DM. Incidence and prevalence of intrasubtype HIV-1 dual infection in at-risk men in the United States. J Infect Dis 2014209(7): 1032–1038

[22]

Smith DMWong JKHightower GKIgnacio CCKoelsch KKDaar ESRichman DDLittle SJ. Incidence of HIV superinfection following primary infection. JAMA 2004292(10): 1177–1178

[23]

Bezemer Dvan Sighem Ade Wolf FCornelissen Mvan der Kuyl ACJurriaans Svan der Hoek LPrins MCoutinho RALukashov VV. Combination antiretroviral therapy failure and HIV super-infection. AIDS 200822(2): 309–311

[24]

Sidat MMMijch AMLewin SRHoy JFHocking JFairley CK. Incidence of putative HIV superinfection and sexual practices among HIV-infected men who have sex with men. Sex Health 20085(1): 61–67

[25]

Wagner GAPacold MEVigil ECaballero GMorris SRKosakovsky Pond SLLittle SJRichman DDGianella SSmith DM. Using ultradeep pyrosequencing to study HIV-1 coreceptor usage in primary and dual infection. J Infect Dis 2013208(2): 271–274160;

[26]

Promadej-Lanier NThielen CHu DJChaowanachan TGvetadze RChoopanya KVanichseni SMcNicholl JM. Cross-reactive T cell responses in HIV CRF01_AE and B′-infected intravenous drug users: implications for superinfection and vaccines. AIDS Res Hum Retroviruses 200925(1): 73–81

[27]

McCutchan FEHoelscher MTovanabutra SPiyasirisilp SSanders-Buell ERamos GJagodzinski LPolonis VMaboko LMmbando DHoffmann ORiedner Gvon Sonnenburg FRobb MBirx DL. In-depth analysis of a heterosexually acquired human immunodeficiency virus type 1 superinfection: evolution, temporal fluctuation, and intercompartment dynamics from the seronegative window period through 30 months postinfection. J Virol 200579(18): 11693–11704

[28]

Redd ADMullis CEWendel SKSheward DMartens CBruno DWerner LGarrett NJAbdool Karim QWilliamson CPorcella SFQuinn TCAbdool Karim SS. Limited HIV-1 superinfection in seroconverters from the CAPRISA 004 Microbicide Trial. J Clin Microbiol 201452(3): 844–848

[29]

Grobler JGray CMRademeyer CSeoighe CRamjee GKarim SAMorris LWilliamson C. Incidence of HIV-1 dual infection and its association with increased viral load set point in a cohort of HIV-1 subtype C-infected female sex workers. J Infect Dis 2004190(7): 1355–1359

[30]

Redd ADWendel SKLongosz AFFogel JMDadabhai SKumwenda NSun JWalker MPBruno DMartens CEshleman SHPorcella SFQuinn TCTaha TE. Evaluation of postpartum HIV superinfection and mother-to-child transmission. AIDS 201529(12): 1567–1573

[31]

Chohan BLavreys LRainwater SMOverbaugh J. Evidence for frequent reinfection with human immunodeficiency virus type 1 of a different subtype. J Virol 200579(16): 10701–10708

[32]

Redd ADQuinn TCTobian AA. Frequency and implications of HIV superinfection. Lancet Infect Dis 201313(7): 622–628

[33]

Gottlieb GSNickle DCJensen MAWong KGGrobler JLi FLiu SLRademeyer CLearn GHKarim SSWilliamson CCorey LMargolick JBMullins JI. Dual HIV-1 infection associated with rapid disease progression. Lancet 2004363(9409): 619–622

[34]

Tsui RHerring BLBarbour JDGrant RMBacchetti PKral AEdlin BRDelwart EL. Human immunodeficiency virus type 1 superinfection was not detected following 215 years of injection drug user exposure. J Virol 200478(1): 94–103

[35]

Rachinger AStolte IGvan de Ven TDBurger JAPrins MSchuitemaker Hvan’t Wout AB. Absence of HIV-1 superinfection 1 year after infection between 1985 and 1997 coincides with a reduction in sexual risk behavior in the seroincident Amsterdam cohort of homosexual men. Clin Infect Dis 201050(9): 1309–1315

[36]

Rachinger Avan de Ven TDBurger JASchuitemaker Hvan’t Wout AB. Evaluation of pre-screening methods for the identification of HIV-1 superinfection. J Virol Methods 2010165(2): 311–317

[37]

Rachinger AManyenga PBurger JADerks van de Ven TLStolte IGPrins Mvan’t Wout ABSchuitemaker H. Low incidence of HIV-1 superinfection even after episodes of unsafe sexual behavior of homosexual men in the Amsterdam Cohort Studies on HIV Infection and AIDS. J Infect Dis 2011203(11): 1621–1628

[38]

Templeton ARKramer MGJarvis JKowalski JGange SSchneider MFShao QZhang GWYeh MFTsai HLZhang HMarkham RB. Multiple-infection and recombination in HIV-1 within a longitudinal cohort of women. Retrovirology 20096(1): 54

[39]

Koelsch KKSmith DMLittle SJIgnacio CCMacaranas TRBrown AJPetropoulos CJRichman DDWong JK. Clade B HIV-1 superinfection with wild-type virus after primary infection with drug-resistant clade B virus. AIDS 200317(7): F11–F16

[40]

Piantadosi AChohan BChohan VMcClelland RSOverbaugh J. Chronic HIV-1 infection frequently fails to protect against superinfection. PLoS Pathog 20073(11): e177

[41]

Piantadosi ANgayo MOChohan BOverbaugh J. Examination of a second region of the HIV type 1 genome reveals additional cases of superinfection. AIDS Res Hum Retroviruses 200824(9): 1221–1224

[42]

Kraft CSBasu DHawkins PAHraber PTChomba EMulenga JKilembe WKhu NHDerdeyn CAAllen SAManigart OHunter E. Timing and source of subtype-C HIV-1 superinfection in the newly infected partner of Zambian couples with disparate viruses. Retrovirology 20129(1): 22

[43]

Sheward DJNtale RGarrett NJWoodman ZLAbdool Karim SSWilliamson C. HIV-1 superinfection resembles primary infection. J Infect Dis 2015212(6): 904–908

[44]

Shapland EBHolmes VReeves CDSorokin EDurot MPlatt DAllen CDean JSerber ZNewman JChandran S. Low-cost, high-throughput sequencing of DNA assemblies using a highly multiplexed nextera process. ACS Synth Biol 20154(7): 860–866

[45]

Mild MHedskog CJernberg JAlbert J. Performance of ultra-deep pyrosequencing in analysis of HIV-1 pol gene variation. PLoS One 20116(7): e22741

[46]

Kijak GHSanders-Buell EHarbolick EAPham PChenine ALEller LARono KRobb MLMichael NLKim JHTovanabutra S. Targeted deep sequencing of HIV-1 using the IonTorrentPGM platform. J Virol Methods 2014205: 7–16

[47]

Ronen KMcCoy COMatsen FABoyd DFEmery SOdem-Davis KJaoko WMandaliya KMcClelland RSRichardson BAOverbaugh J. HIV-1 superinfection occurs less frequently than initial infection in a cohort of high-risk Kenyan women. PLoS Pathog 20139(8): e1003593

[48]

Luan HHan XYu XAn MZhang HZhao BXu JChu ZShang H. Dual infection contributes to rapid disease progression in men who have sex with men in China. J Acquir Immune Defic Syndr 201775(4): 480–487

[49]

Soares de Oliveira ACPessôa de Farias Rda Costa ACSauer MMBassichetto KCOliveira SMCosta PRTomiyama CTomiyama HTSabino ECKallas EGSanabani SS. Frequency of subtype B and F1 dual infection in HIV-1 positive, Brazilian men who have sex with men. Virol J 20129(1): 223

[50]

Chohan BHPiantadosi AOverbaugh J. HIV-1 superinfection and its implications for vaccine design. Curr HIV Res 20108(8): 596–601

[51]

Yerly SJost SMonnat MTelenti ACavassini MChave JPKaiser LBurgisser PPerrin L; Swiss HIV Cohort Study. HIV-1 co/super-infection in intravenous drug users. AIDS 200418(10): 1413–1421

[52]

Courtney CRMayr LNanfack AJBanin ANTuen MPan RJiang XKong XPKirkpatrick ARBruno DMartens CASykora LPorcella SFRedd ADQuinn TCNyambi PNDürr R. Contrasting antibody responses to intrasubtype superinfection with CRF02_AG. PLoS One 201712(3): e0173705

[53]

Ritchie AJCai FSmith NMChen SSong HBrackenridgeSAbdool KarimSSKorberBTMcMichaelAJGaoFGoonetellekeN. Recombination-mediated escape from primary CD8+ T cells in acute HIV-1 infection. Retrovirology201411: 69

[54]

Streeck HLi BPoon AFSchneidewind AGladden ADPower KADaskalakis DBazner SZuniga RBrander CRosenberg ESFrost SDAltfeld MAllen TM. Immune-driven recombination and loss of control after HIV superinfection. J Exp Med 2008205(8): 1789–1796

[55]

Doria-Rose NASchramm CAGorman JMoore PLBhiman JNDeKosky BJErnandes MJGeorgiev ISKim HJPancera MStaupe RPAltae-Tran HRBailer RTCrooks ETCupo ADruz AGarrett NJHoi KHKong RLouder MKLongo NSMcKee KNonyane MO’Dell SRoark RSRudicell RSSchmidt SDSheward DJSoto CWibmer CKYang YZhang Z; NISC Comparative Sequencing Program, Mullikin JCBinley JMSanders RWWilson IAMoore JPWard ABGeorgiou GWilliamson CAbdool Karim SSMorris LKwong PDShapiro LMascola JR. Developmental pathway for potent V1V2-directed HIV-neutralizing antibodies. Nature 2014509(7498): 55–62

[56]

Diaz RSPardini RCatroxo MOperskalski EAMosley JWBusch MP. HIV-1 superinfection is not a common event. J Clin Virol 200533(4): 328–330

[57]

Chakraborty BValer LDe Mendoza CSoriano VQuiñones-Mateu ME. Failure to detect human immunodeficiency virus type 1 superinfection in 28 HIV-seroconcordant individuals with high risk of reexposure to the virus. AIDS Res Hum Retroviruses 200420(9): 1026–1031

[58]

Gonzales MJDelwart ERhee SYTsui RZolopa ARTaylor JShafer RW. Lack of detectable human immunodeficiency virus type 1 superinfection during 1072 person-years of observation. J Infect Dis 2003188(3): 397–405

[59]

Martin FLee JThomson ETarrant NHale ALacey CJ. Two cases of possible transmitted drug-resistant HIV: likely HIV superinfection and unmasking of pre-existing resistance. Int J STD AIDS 201627(1): 66–69

[60]

Cowan SAGerstoft JHaff JChristiansen AHNielsen JObel N. Stable incidence of HIV diagnoses among Danish MSM despite increased engagement in unsafe sex. J Acquir Immune Defic Syndr 201261(1): 106–111

[61]

Trkola AKuster HRusert PJoos BFischer MLeemann CManrique AHuber MRehr MOxenius AWeber RStiegler GVcelar BKatinger HAceto LGünthard HF. Delay of HIV-1 rebound after cessation of antiretroviral therapy through passive transfer of human neutralizing antibodies. Nat Med 200511(6): 615–622

[62]

Mehandru SVcelar BWrin TStiegler GJoos BMohri HBoden DGalovich JTenner-Racz KRacz PCarrington MPetropoulos CKatinger HMarkowitz M. Adjunctive passive immunotherapy in human immunodeficiency virus type 1-infected individuals treated with antiviral therapy during acute and early infection. J Virol 200781(20): 11016–11031

[63]

Barouch DHWhitney JBMoldt BKlein FOliveira TYLiu JStephenson KEChang HWShekhar KGupta SNkolola JPSeaman MSSmith KMBorducchi ENCabral CSmith JYBlackmore SSanisetty SPerry JRBeck MLewis MGRinaldi WChakraborty AKPoignard PNussenzweig MCBurton DR. Therapeutic efficacy of potent neutralizing HIV-1-specific monoclonal antibodies in SHIV-infected rhesus monkeys. Nature 2013503(7475): 224–228

[64]

Wagner GALandais ECaballero GPhung PKosakovsky Pond SLPoignard PRichman DDLittle SJSmith DM. Intrasubtype B HIV-1 superinfection correlates with delayed neutralizing antibody response. J Virol 201791(17): e00475-17

[65]

Mikell ISather DNKalams SAAltfeld MAlter GStamatatos L. Characteristics of the earliest cross-neutralizing antibody response to HIV-1. PLoS Pathog 20117(1): e1001251

[66]

Moore PLGray ESSheward DMadiga MRanchobe NLai ZHonnen WJNonyane MTumba NHermanus TSibeko SMlisana KAbdool Karim SSWilliamson CPinter AMorris L; CAPRISA 002 Study. Potent and broad neutralization of HIV-1 subtype C by plasma antibodies targeting a quaternary epitope including residues in the V2 loop. J Virol 201185(7): 3128–3141

[67]

Liao HXLynch RZhou TGao FAlam SMBoyd SDFire AZRoskin KMSchramm CAZhang ZZhu JShapiro L; NISC Comparative Sequencing Program, Mullikin JCGnanakaran SHraber PWiehe KKelsoe GYang GXia SMMontefiori DCParks RLloyd KEScearce RMSoderberg KACohen MKamanga GLouder MKTran LMChen YCai FChen SMoquin SDu XJoyce MGSrivatsan SZhang BZheng AShaw GMHahn BHKepler TBKorber BTKwong PDMascola JRHaynes BF. Co-evolution of a broadly neutralizing HIV-1 antibody and founder virus. Nature 2013496(7446): 469–476

[68]

Weinfurter JTMay GESoma THessell AJLeón EJMacnair CEPiaskowski SMWeisgrau KFurlott JManess NJReed JWilson NARakasz EGBurton DRFriedrich TC. Macaque long-term nonprogressors resist superinfection with multiple CD8+ T cell escape variants of simian immunodeficiency virus. J Virol 201185(1): 530–541

[69]

Blish CADogan OCJaoko WMcClelland RSMandaliya KOdem-Davis KSRichardsonb BAOverbaugh J. Cellular immune responses and susceptibility to HIV-1 superinfection: a case-control study. AIDS 201226(5): 643–646

[70]

Forthal DNLanducci GChohan BRichardson BAMcClelland RSJaoko WBlish COverbaugh J. Antibody-dependent cell-mediated virus inhibition antibody activity does not correlate with risk of HIV-1 superinfection. J Acquir Immune Defic Syndr 201363(1): 31–33

[71]

Blish CADogan OCJaoko WMcClelland RSMandaliya KOdem-Davis KRichardson BAOverbaugh J. Association between cellular immune activation, target cell frequency, and risk of human immunodeficiency virus type 1 superinfection. J Virol 201488(10): 5894–5899

[72]

Ronen KDingens ASGraham SMJaoko WMandaliya KMcClelland RSOverbaugh J. Comprehensive characterization of humoral correlates of human immunodeficiency virus 1 superinfection acquisition in high-risk Kenyan women. EBioMedicine 201718: 216–224

[73]

Vesa JChaillon AWagner GAAnderson CMRichman DDSmith DMLittle SJ. Increased HIV-1 superinfection risk in carriers of specific human leukocyte antigen alleles. AIDS 201731(8): 1149–1158

[74]

Campbell MSGottlieb GSHawes SENickle DCWong KGDeng WLampinen TMKiviat NBMullins JI. HIV-1 superinfection in the antiretroviral therapy era: are seroconcordant sexual partners at risk? PLoS One 20094(5): e5690

[75]

Haynes BFKelsoe GHarrison SCKepler TB. B-cell-lineage immunogen design in vaccine development with HIV-1 as a case study. Nat Biotechnol 201230(5):423–433 

[76]

Haynes BFShaw GMKorber BKelsoe GSodroski JHahn BHBorrow PMcMichael AJ. HIV-host interactions: implications for vaccine design. Cell Host Microbe 201619:292–303 

[77]

Gao F. Broad neutralization as a byproduct of antibody maturation during HIV-1 infection: a personal perspective. Infect Dis Transl Med 20162:60–68

[78]

Piantadosi APanteleeff DBlish CABaeten JMJaoko WMcClelland RSOverbaugh J. Breadth of neutralizing antibody response to human immunodeficiency virus type 1 is affected by factors early in infection but does not influence disease progression. J Virol 200983(19): 10269–10274

[79]

Euler Zvan den Kerkhof TLvan Gils MJBurger JAEdo-Matas DPhung PWrin TSchuitemaker H. Longitudinal analysis of early HIV-1-specific neutralizing activity in an elite neutralizer and in five patients who developed cross-reactive neutralizing activity. J Virol 201286(4): 2045–2055

[80]

Pernas MCasado CArcones CLlano ASánchez-Merino VMothe BVicario JLGrau ERuiz LSánchez JTelenti AYuste EBrander CGalíndez CL. Low-replicating viruses and strong anti-viral immune response associated with prolonged disease control in a superinfected HIV-1 LTNP elite controller. PLoS One 20127(2): e31928

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany

AI Summary AI Mindmap
PDF (267KB)

4933

Accesses

0

Citation

Detail

Sections
Recommended

AI思维导图

/