Layer-by-layer assembly of viral capsid for cell adhesion

Cowpea mosaic virus (CPMV)-based thin films are biologically active for cell culture. Using layer-by-layer assembly of CPMV and poly(diallyldimethylammonium chloride), quantitatively scalable biomolecular surfaces were constructed, which were well characterized using quartz crystal microbalance, UV-vis and atomic force microscopy. The surface coverage of CPMV nanoparticles depended on the adsorption time and pH of the virus solution, with a greater amount of CPMV adsorption occurring near its isoelectric point. It was found that the adhesion and proliferation of NIH-3T3 fibroblasts can be controlled by the coverage of viral particles using this multilayer technique.

A time-resolved immunoassay to measure serum antibodies to the rotavirus VP6 capsid protein

The rotavirus (RV) inner capsid protein VP6 is widely used to evaluate immune response during natural infection and in vaccine studies. Recombinant VP6 from the most prevalent circulating rotavirus strains in each subgroup (SG) identified in a birth cohort of children in southern India [SGII (G1P[8]) and SGI (G10P[11])] were produced. The purified proteins were used to measure VP6-specific antibodies in a Dissociation-Enhanced Lanthanide Fluorometric Immunoassay (DELFIA). The ability of the assay to detect a =2 fold rise in IgG level in a panel of serum samples from a longitudinal study was compared to a gold standard virus-capture ELISA. A strong association was observed between the assays (p

Adsorption and aggregation properties of norovirus GI and GII virus-like particles demonstrate differing responses to solution chemistry

The transport properties (adsorption and aggregation behavior) of virus-like particles (VLPs) of two strains of norovirus ("Norwalk" GI.1 and "Houston" GII.4) were studied in a variety of solution chemistries. GI.1 and GII.4 VLPs were found to be stable against aggregation at pH 4.0-8.0. At pH 9.0, GI.1 VLPs rapidly disintegrated. The attachment efficiencies (a) of GI.1 and GII.4 VLPs to silica increased with increasing ionic strength in NaCl solutions at pH 8.0. The attachment efficiency of GI.1 VLPs decreased as pH was increased above the isoelectric point (pH 5.0), whereas at and below the isoelectric point, the attachment efficiency was erratic. Ca(2+) and Mg(2+) dramatically increased the attachment efficiencies of GI.1 and GII.4 VLPs, which may be due to specific interactions with the VLP capsids. Bicarbonate decreased attachment efficiencies for both GI.1 and GII.4 VLPs, whereas phosphate decreased the attachment efficiency of GI.1, while increasing GII.4 attachment efficiency. The observed differences in GI.1 and GII.4 VLP attachment efficiencies in response to solution chemistry may be attributed to differential responses of the unique arrangement of exposed amino acid residues on the capsid surface of each VLP strain.

Structural proteins of enveloped virus : from biochemistry to molecular medicine : a focus on dengue virus

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas (Bioquímica Médica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2016

Étude de la sortie du virus herpès simplex de type 1 (HSV 1) hors du noyau

Le virus herpès simplex de type 1 (HSV 1) affecte la majorité de la population mondiale. HSV 1 cause de multiples symptômes délétères dont les plus communs sont les lésions orofaciales usuellement appelées feux sauvages. Le virus peut aussi causer des effets plus sérieux comme la cécité ou des troubles neurologiques. Le virus réside de façon permanente dans le corps de son hôte. Malgré l’existence de nombreux traitements pour atténuer les symptômes causés par HSV 1, aucun médicament ne peut éliminer le virus. Dans le but d’améliorer les connaissances concernant le cycle viral de HSV 1, ce projet cible l’étude du transport du virus dans la cellule hôte. Ce projet aura permis la collecte d’informations concernant le modus operandi de HSV 1 pour sortir des compartiments cellulaires où il séjourne. Les différentes expérimentations ont permis de publier 3 articles dont un article qui a été choisi parmi les meilleurs papiers par les éditeurs de « Journal of Virology » ainsi qu’un 4e article qui a été soumis. Premièrement, un essai in vitro reproduisant la sortie de HSV 1 du noyau a été mis sur pied, via l’isolation de noyaux issus de cellules infectées. Nous avons démontré que tout comme dans les cellules entières, les capsides s’évadent des noyaux isolés dans l’essai in vitro en bourgeonnant avec la membrane nucléaire interne, puis en s’accumulant sous forme de capsides enveloppées entre les deux membranes nucléaires pour finalement être relâchées dans le cytoplasme exclusivement sous une forme non enveloppée. Ces observations appuient le modèle de transport de dé-enveloppement/ré-enveloppement. Deuxièmement, dans le but d’identifier des joueurs clefs viraux impliqués dans la sortie nucléaire du virus, les protéines virales associées aux capsides relâchées par le noyau ont été examinées. La morphologie multicouche du virus HSV 1 comprend un génome d’ADN, une capside, le tégument et une enveloppe. Le tégument est un ensemble de protéines virales qui sont ajoutées séquentiellement sur la particule virale. La séquence d’ajout des téguments de même que les sites intracellulaires où a lieu la tégumentation sont l’objet d’intenses recherches. L’essai in vitro a été utilisé pour étudier cette tégumentation. Les données recueillies suggèrent un processus séquentiel qui implique l’acquisition des protéines UL36, UL37, ICP0, ICP8, UL41, UL42, US3 et possiblement ICP4 sur les capsides relâchées par le noyau. Troisièmement, pour obtenir davantage d’informations concernant la sortie de HSV 1 des compartiments membranaires de la cellule hôte, la sortie de HSV 1 du réseau trans golgien (TGN) a aussi été étudiée. L’étude a révélé l’implication de la protéine kinase D cellulaire (PKD) dans le transport post-TGN de HSV 1. PKD est connue pour réguler le transport de petits cargos et son implication dans le transport de HSV 1 met en lumière l’utilisation d’une machinerie commune pour le transport des petits et gros cargos en aval du TGN. Le TGN n’est donc pas seulement une station de triage, mais est aussi un point de rencontre pour différentes voies de transport intracellulaire. Tous ces résultats contribuent à une meilleure compréhension du processus complexe de maturation du virus HSV 1, ce qui pourrait mener au développement de meilleurs traitements pour combattre le virus. Les données amassées concernant le virus HSV 1 pourraient aussi être appliquées à d’autres virus. En plus de leur pertinence dans le domaine de la virologie, les découvertes issues de ce projet apportent également de nouveaux détails au niveau du transport intracellulaire.

Analyse des protéines cellulaires incorporées dans les particules matures du virus de l’Herpès simplex de type 1

Les virus exploitent la machinerie cellulaire de l’hôte de façon très variée et plusieurs types vont même jusqu’à incorporer certaines protéines cellulaires. Nous avons récemment effectué la première analyse protéomique du virion mature de l’Herpès simplex de type 1 (HSV-1), ce qui nous a permis de déterminer que jusqu’à 49 protéines cellulaires différentes se retrouvaient dans ce virus (Loret, S. et al. (2008). "Comprehensive characterization of extracellular herpes simplex virus type 1 virions." J Virol 82(17): 8605-18.). Afin de déterminer leur importance dans le cycle de réplication d’HSV-1, nous avons mis au point un système de criblage nous permettant de quantifier le virus produit et relâché dans le milieu extracellulaire en utilisant un virus marqué à la GFP ainsi que des petits ARN interférents (pARNi) ciblant spécifiquement ces protéines cellulaires. Cette approche nous a permis de démontrer que 17 des protéines identifiées précédemment jouaient un rôle critique dans la réplication d’HSV-1, suggérant ainsi que leur incorporation dans le virus n’est pas aléatoire. Nous avons ensuite examiné le rôle d’une de ces protéines, DDX3X (DEAD (Asp-Glu-Ala-Asp) box polypeptide 3, X-linked), une protéine multifonctionnelle connue pour son implication dans les cycles de réplication de plusieurs virus humains. À l’aide de pARNi ainsi que de différentes lignées cellulaires, dont une lignée DDX3X thermosensible, nous avons démontré que l’inhibition de DDX3X résultait en une diminution du nombre de capsides intracellulaires et induisait une importante diminution de l’expression des gènes viraux. Nous avons aussi démontré que la fraction de DDX3X incorporée dans le virion contribuait activement au cycle infectieux d’HSV-1. Ces résultats confirment l’intérêt de notre approche afin d’étudier les interactions hôte-pathogène en plus de démontrer la contribution des protéines cellulaires incorporées à HSV-1 dans l’infection virale.

Caractérisation de la migration du virus Herpès simplex de type 1 (HSV-1) par protéomique

Le virus Herpès simplex de type 1 (HSV-1), agent étiologique des feux sauvages, possède une structure multicouche comprenant une capside icosaédrale qui protège le génome viral d’ADN, une couche protéique très structurée appelée tégument et une enveloppe lipidique dérivant de la cellule hôte et parsemée de glycoprotéines virales. Tous ces constituants sont acquis séquentiellement à partir du noyau, du cytoplasme et du réseau trans-golgien. Cette structure multicouche confère à HSV-1 un potentiel considérable pour incorporer des protéines virales et cellulaires. Toutefois, l’ensemble des protéines qui composent ce virus n’a pas encore été élucidé. De plus, malgré son rôle critique à différentes étapes de l’infection, le tégument demeure encore mal défini et ce, tant dans sa composition que dans la séquence d’addition des protéines qui le composent. Toutes ces incertitudes quant aux mécanismes impliqués dans la morphogenèse du virus nous amènent à l’objectif de ce projet, soit la caractérisation du processus de maturation d’HSV-1. Le premier article présenté dans cette thèse et publié dans Journal of Virology s’attarde à la caractérisation protéique des virus extracellulaires matures. Grâce à l’élaboration d’un protocole d’isolation et de purification de ces virions, une étude protéomique a pu être effectuée. Celle-ci nous a permis de réaliser une cartographie de la composition globale en protéines virales des virus matures (8 protéines de la capside, 23 protéines du tégument et 13 glycoprotéines) qui a fait la page couverture de Journal of Virology. De plus, l’incorporation potentielle de 49 protéines cellulaires différentes a été révélée. Lors de cette étude protéomique, nous avons aussi relevé la présence de nouveaux composants du virion dont UL7, UL23, ICP0 et ICP4. Le deuxième article publié dans Journal of General Virology focalise sur ces protéines via une analyse biochimique afin de mieux comprendre les interactions et la dynamique du tégument. Ces résultats nous révèlent que, contrairement aux protéines ICP0 et ICP4, UL7 et UL23 peuvent être relâchées de la capside en présence de sels et que les cystéines libres jouent un rôle dans cette relâche. De plus, cet article met en évidence la présence d’ICP0 et d’ICP4 sur les capsides nucléaires suggérant une acquisition possible du tégument au noyau. La complexité du processus de morphogenèse du virus ainsi que la mise en évidence d’acquisition de protéines du tégument au noyau nous ont incités à poursuivre nos recherches sur la composition du virus à un stade précoce de son cycle viral. Les capsides C matures, prémisses des virus extracellulaires, ont donc été isolées et purifiées grâce à un protocole innovateur basé sur le tri par cytométrie en flux. L’analyse préliminaire de ces capsides par protéomique a permis d’identifier 28 protéines virales et 39 protéines cellulaires. Les données recueilles, comparées à celles obtenues avec les virus extracellulaires, suggèrent clairement un processus séquentiel d’acquisition des protéines du tégument débutant dans le noyau, site d’assemblage des capsides. Finalement, tous ces résultats contribuent à une meilleure compréhension du processus complexe de maturation d’HSV-1 via l’utilisation de techniques variées et innovatrices, telles que la protéomique et la cytométrie en flux, pouvant être appliquées à d’autres virus mais aussi permettre le développement de meilleurs traitements pour vaincre l’HSV-1.

Amino acid substitutions in σ1 and μ1 outer capsid proteins are selected during mammalian reovirus adaptation to Vero cells

Establishment of viral persistence in cell culture has previously led to the selection of mammalian reovirus mutants, although very few of those have been characterized in details. In the present study, reovirus was adapted to Vero cells that, in contrast to classically-used L929 cells, are inefficient in supporting the early steps of reovirus uncoating and are also unable to produce interferon as an antiviral response once infection occurs. The Vero cell-adapted reovirus exhibits amino acids substitutions in both the σ1 and μ1 proteins. This contrasts with uncoating mutants from persistently-infected L929 cells, and various other cell types, that generally harbor amino acids substitutions in the σ3 outer capsid protein. The Vero cell-adapted virus remained sensitive to an inhibitor of lysosomal proteases; furthermore, in the absence of selective pressure for its maintenance, t he virus has partially lost its ability to resist interferon. The positions of the amino acids substitutions on the known protein structures suggest an effect on binding of the viral σ1 protein to the cell surface and on μ1 disassembly from the outer capsid.

Addition of exogenous polypeptides on the mammalian reovirus outer capsid using reverse genetics

Addition of exogenous peptide sequences on viral capsids is a powerful approach to study the process of viral infection or to retarget viruses toward defined cell types. Until recently, it was not possible to manipulate the genome of mammalian reovirus and this was an obstacle to the addition of exogenous sequence tags onto the capsid of a replicating virus. This obstacle has now been overcome by the advent of the plasmid-based reverse genetics system. In the present study, reverse genetics was used to introduce different exogenous peptides, up to 40 amino acids long, at the carboxyl-terminal end of the σ1 outer capsid protein. The tagged viruses obtained were infectious, produce plaques of similar size, and could be easily propagated at hight titers. However, attempts to introduce a 750 nucleotides-long sequence failed, even when it was added after the stop codon, suggesting a possible size limitation at the nucleic acid level.

Pathological changes in Fenneropenaeus indicus experimentally infected with white spot virus and virus morphogenesis

To demonstrate pathological changes due to white spot virus infection in Fenneropenaeus indicus, a batch of hatchery bred quarantined animals was experimentally infected with the virus. Organs such as gills, foregut, mid-gut, hindgut, nerve, eye, heart, ovary and integument were examined by light and electron microscopy. Histopathological analyses revealed changes hitherto not reported in F. indicus such as lesions to the internal folding of gut resulted in syncytial mass sloughed off into lumen, thickening of hepatopancreatic connective tissue with vacuolization of tubules and necrosis of rectal pads in hindgut. Virus replication was seen in the crystalline tract region of the compound eye and eosinophilic granules infiltrated from its base. In the gill arch, dilation and disintegration of median blood vessel was observed. In the nervous tissues, encapsulation and subsequent atrophy of hypertrophied nuclei of the neurosecretory cells were found. Transmission electron microscopy showed viral replication and morphogenesis in cells of infected tissue. De novo formed vesicles covered the capsid forming a bilayered envelop opened at one end inside the virogenic stroma. Circular vesicles containing nuclear material was found fused with the envelop. Subsequent thickening of the envelop resulted in the fully formed virus. In this study, a correlation was observed between the stages of viral multiplication and the corresponding pathological changes in the cells during the WSV infection. Accordingly, gill and foregut tissues were found highly infected during the onset of clinical signs itself, and are proposed to be used as the tissues for routine disease diagnosis.

The molecular basis of HIV capsid assembly - five years of progress

The assembly of HIV is relatively poorly investigated when compared with the process of virus entry. Yet a detailed understanding of the mechanism of assembly is fundamental to our knowledge of the complete life cycle of this virus and also has the potential to inform the development of new antiviral strategies. The repeated multiple interaction of the basic structural unit, Gag, might first appear to be little more than concentration dependent self-assembly but the precise mechanisms emerging for HIV are far from simple. Gag interacts not only with itself but also with host cell lipids and proteins in an ordered and stepwise manner. It binds both the genomic RNA and the virus envelope protein and must do this at an appropriate time and place within the infected cell. The assembled virus particle must successfully release from the cell surface and, whilst being robust enough for transmission between hosts, must nonetheless be primed for rapid disassembly when infection occurs. Our current understanding of these processes and the domains of Gag involved at each stage is the subject of this review. Copyright (C) 2004 John Wiley Sons, Ltd.

Replication enhancer elements within the open reading frame of tick-borne encephalitis virus and their evolution within the Flavivirus genus

We provide experimental evidence of a replication enhancer element (REE) within the capsid gene of tick-borne encephalitis virus (TBEV, genus Flavivirus). Thermodynamic and phylogenetic analyses predicted that the REE folds as a long stable stem–loop (designated SL6), conserved among all tick-borne flaviviruses (TBFV). Homologous sequences and potential base pairing were found in the corresponding regions of mosquito-borne flaviviruses, but not in more genetically distant flaviviruses. To investigate the role of SL6, nucleotide substitutions were introduced which changed a conserved hexanucleotide motif, the conformation of the terminal loop and the base-paired dsRNA stacking. Substitutions were made within a TBEV reverse genetic system and recovered mutants were compared for plaque morphology, single-step replication kinetics and cytopathic effect. The greatest phenotypic changes were observed in mutants with a destabilized stem. Point mutations in the conserved hexanucleotide motif of the terminal loop caused moderate virus attenuation. However, all mutants eventually reached the titre of wild-type virus late post-infection. Thus, although not essential for growth in tissue culture, the SL6 REE acts to up-regulate virus replication. We hypothesize that this modulatory role may be important for TBEV survival in nature, where the virus circulates by non-viraemic transmission between infected and non-infected ticks, during co-feeding on local rodents.

Efficient production of foot-and-mouth disease virus empty capsids in insect cells following down regulation of 3C protease activity

Foot-and-mouth disease virus (FMDV) is a significant economically and distributed globally pathogen of Artiodactyla. Current vaccines are chemically inactivated whole virus particles that require large-scale virus growth in strict bio-containment with the associated risks of accidental release or incomplete inactivation. Non-infectious empty capsids are structural mimics of authentic particles with no associated risk and constitute an alternate vaccine candidate. Capsids self-assemble from the processed virus structural proteins, VP0, VP3 and VP1, which are released from the structural protein precursor P1-2A by the action of the virus-encoded 3C protease. To date recombinant empty capsid assembly has been limited by poor expression levels, restricting the development of empty capsids as a viable vaccine. Here expression of the FMDV structural protein precursor P1-2A in insect cells is shown to be efficient but linkage of the cognate 3C protease to the C-terminus reduces expression significantly. Inactivation of the 3C enzyme in a P1-2A-3C cassette allows expression and intermediate levels of 3C activity resulted in efficient processing of the P1-2A precursor into the structural proteins which assembled into empty capsids. Expression was independent of the insect host cell background and leads to capsids that are recognised as authentic by a range of anti-FMDV bovine sera suggesting their feasibility as an alternate vaccine.

Structure-based energetics of protein interfaces guides foot-and-mouth disease virus vaccine design

Virus capsids are primed for disassembly, yet capsid integrity is key to generating a protective immune response. Foot-and-mouth disease virus (FMDV) capsids comprise identical pentameric protein subunits held together by tenuous noncovalent interactions and are often unstable. Chemically inactivated or recombinant empty capsids, which could form the basis of future vaccines, are even less stable than live virus. Here we devised a computational method to assess the relative stability of protein-protein interfaces and used it to design improved candidate vaccines for two poorly stable, but globally important, serotypes of FMDV: O and SAT2. We used a restrained molecular dynamics strategy to rank mutations predicted to strengthen the pentamer interfaces and applied the results to produce stabilized capsids. Structural analyses and stability assays confirmed the predictions, and vaccinated animals generated improved neutralizing-antibody responses to stabilized particles compared to parental viruses and wild-type capsids.

Specific detection of Lettuce mosaic virus isolates belonging to the Most type

Lettuce mosaic virus (LMV)-Most isolates can infect and are seed-borne in cultivars containing the mol gene. A reverse transcription and polymerase chain reaction (RT-PCR)-based test was developed for the specific detection of LMV-Most isolates. Based on the complete genome sequences of three LMV isolates belonging respectively to the Most type, the Common type and neither of these two types, three different assays were compared: (i) presence of a diagnostic restriction site in the region of the genome encoding the variable N-terminus of the capsid protein, in the 3' end of the genome, (ii) RT-PCR using primers designed to amplify a cDNA corresponding to a portion of the P1 coding region, in the 5' end of the genome and (iii) RT-PCR using primers designed to amplify a central region of the genome. The assays were performed against a collection of 21 isolates from different geographical origins and representing the molecular variability of LMV. RT-PCR of the central region of the genome was preferred because its results are expected to be less affected by natural recombination between LMV isolates, and it allows sensitive detection of LMV-Most in situations of single as well as mixed contamination. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.