Zika virus (ZIKV), belongs to the flavivirus genus and Flaviviridae family that associated with serious diseased conditions like microcephaly and other neurological disorders (Guillan–Barré syndrome). As there is no vaccine or therapies available against ZIKV to date. Hence, it is an unmet need to find potential drug candidates and target sites against Zika virus infection. NS2B-NS3 protease making an attractive target for therapeutic intervention in ZIKV infections because of its critical role in hydrolysis of a single polyprotein encoded by Zika virus. Recently, there are some experimental evidence about the flavonoids as Zika virus NS2B-NS3 protease inhibitors. However, molecular interaction between protease complex and inhibitors at atomic levels has not been explored. Here, we have taken the experimentally validated thirty-eight flavonoids inhibitors against NS2B-NS3 protease to examine the molecular interaction using molecular docking and molecular dynamics simulations. We found out few flavonoids such as EGCG and its two derivatives, isoquercetin, rutin and sanggenon O showing interaction with catalytic triad (His51, Asp75, and Ser135) of the active site of NS2B-NS3 protease and found to be stable throughout the simulation. Therefore it is evident that interaction with the catalytic triad playing a vital role in the inhibition of the enzyme activity as a result inhibition of the virus propagation. However these compounds can be explored further for understanding the mechanism of action of these compounds targeting NS2B-NS3 protease for inhibition of Zika virus.

Abstract Recently emerged coronavirus designated as SARS-CoV-2 (also known as 2019 novel coronavirus (2019-nCoV) or Wuhan coronavirus) is a causative agent of coronavirus disease 2019 (COVID-19), which is rapidly spreading throughout the world now. More than 9,00,000 cases of SARS-CoV-2 infection and more than 47,000 COVID-19-associated mortalities have been reported worldwide till the writing of this article, and these numbers are increasing every passing hour. World Health Organization (WHO) has declared the SARS-CoV-2 spread as a global public health emergency and admitted that the COVID-19 is a pandemic now. The multiple sequence alignment data correlated with the already published reports on the SARS-CoV-2 evolution and indicated that this virus is closely related to the bat Severe Acute Respiratory Syndrome-like coronavirus (bat SARS-like CoV) and the well-studied Human SARS coronavirus (SARS CoV). The disordered regions in viral proteins are associated with the viral infectivity and pathogenicity. Therefore, in this study, we have exploited a set of complementary computational approaches to examine the dark proteomes of SARS-CoV-2, bat SARS-like, and human SARS CoVs by analysing the prevalence of intrinsic disorder in their proteins. According to our findings, SARS-CoV-2 proteome contains very significant levels of structural order. In fact, except for Nucleocapsid, Nsp8, and ORF6, the vast majority of SARS-CoV-2 proteins are mostly ordered proteins containing less intrinsically disordered protein regions (IDPRs). However, IDPRs found in SARS-CoV-2 proteins are functionally important. For example, cleavage sites in its replicase 1ab polyprotein are found to be highly disordered, and almost all SARS-CoV-2 proteins were shown to contain molecular recognition features (MoRFs), which are intrinsic disorder-based protein-protein interaction sites that are commonly utilized by proteins for interaction with specific partners. The results of our extensive investigation of the dark side of the SARS-CoV-2 proteome will have important implications for the structural and non-structural biology of SARS or SARS-like coronaviruses. Significance The infection caused by a novel coronavirus (SARS-CoV-2) that causes severe respiratory disease with pneumonia-like symptoms in humans is responsible for the current COVID-19 pandemic. No in-depth information on structures and functions of SARS-CoV-2 proteins is currently available in the public domain, and no effective anti-viral drugs and/or vaccines are designed for the treatment of this infection. Our study provides the first comparative analysis of the order- and disorder-based features of the SARS-CoV-2 proteome relative to human SARS and bat CoV that may be useful for structure-based drug discovery.

Abstract Nonstructural protein 1 (NSP1) of SARS-CoV-2 plays a key role in downregulation of RIG-I pathways and interacts with 40 S ribosome. Recently, the cryo-EM structure in complex with 40S ribosome is deciphered. However, the structure of full length NSP1 without any partner has not been studies. Also, the conformation of NSP1-C terminal region in isolation is not been studied. In this study, we have investigated the conformational dynamics of NSP1C-terminal region (NSP1-CTR; amino acids 130-180) in isolation and under different solvent environments. The NSP1-CTR is found to be intrinsically disordered in aqueous solution. Further, we used alpha helix inducer, trifluoroethanol, and found induction of alpha helical conformation using CD spectroscopy. Additionally, in the presence of SDS, NSP1-CTR is showing a conformational change from disordered to ordered, possibly gaining alpha helix in part. But in presence of neutral lipid DOPC, a slight change in conformation is observed. This implies the possible role of hydrophobic interaction and electrostatic interaction on the conformational changes of NSP1. The changes in structural conformation were further studied by fluorescence-based studies, which showed significant blue shift and fluorescence quenching in the presence of SDS and TFE. Lipid vesicles also showed fluorescence-based quenching. In agreement to these result, fluorescence lifetime and fluorescence anisotropy decay suggests a change in conformational dynamics. The zeta potential studies further validated that the conformational dynamics is mostly because of hydrophobic interaction. In last, these experimental studies were complemented through Molecular Dynamics (MD) simulation which have also shown a good correlation and testify our experiments. We believe that the intrinsically disordered nature of the NSP1-CTR will have implications in disorder based binding promiscuity with its interacting proteins.

Abstract The intrinsically disordered proteins/regions (IDPs/IDPRs) are known to be responsible for multiple cellular processes and are associated with many chronic diseases. In viruses, the existence of a disordered proteome is also proven and is related to its conformational dynamics inside the host. The SARS-CoV-2 has a large proteome, in which, structure and functions of many proteins are not known yet, along with nsp11. In this study, we have performed extensive experimentation on nsp11. Our results based on the CD spectroscopy gives characteristic disordered spectrum for IDPs. Further, we investigated the conformational behavior of nsp11 in the presence of membrane mimetic environment, α-helix inducer, and natural osmolyte. In the presence of negatively charged and neutral liposomes, nsp11 remains disordered. However, with SDS micelle, it adopted an α-helical conformation, suggesting the helical propensity of nsp11. Finally, we again confirmed the IDP behavior of nsp11 using MD simulations. In future, this conformational dynamic study could help to clarify its functional importance in SARS-CoV-2 infection.

Abstract The phenomenon of protein aggregation is associated with a wide range of human diseases. Our knowledge on the aggregation behaviour of viral proteins, however, is still rather limited. Here, we investigated this behaviour in the the SARS-CoV and SARS-CoV-2 proteomes. An initial analysis using a panel of sequence-based predictors suggested the presence of multiple aggregation-prone regions in these proteomes, and revealed an enhanced aggregation propensity in some SARS-CoV-2 proteins. We then studied the in vitro aggregation of predicted aggregation-prone SARS-CoV-2 proteins, including the signal sequence peptide and fusion peptide 1 of the spike protein, a peptide from the NSP6 protein (NSP6-p), the ORF10 protein, and the NSP11 protein. Our results show that these peptides and proteins form aggregates via a nucleation-dependent mechanism. Moreover, we demonstrated that the aggregates of NSP11 are toxic to mammalian cell cultures. These findings provide evidence about the aggregation of proteins in the SARS-CoV-2 proteome. Significance The aggregation of proteins is linked with human disease in a variety of ways. In the case of viral infections, one could expect that the aberrant aggregation of viral proteins may damage the host cells, and also that viral particles may trigger the misfolding and aggregation of host proteins, resulting in damage to the host organism. Here we investigate the aggregation propensity of SARS-CoV-2 proteins and show that many of them can form aggregates that are potentially cytotoxic. In perspective, these results suggest that a better understanding of the effects of viruses on the human protein homeostasis system could help future therapeutic efforts.

Abstract Intraviral protein-protein interactions are crucial for replication, pathogenicity, and viral assembly. Among these, virus assembly is a critical step as it regulates the arrangements of viral structural proteins and helps in the encapsulation of genomic material. SARS-CoV-2 structural proteins play an essential role in the self-rearrangement, RNA encapsulation, and mature virus particle formation. In SARS-CoV, the membrane protein interacts with the envelope and spike protein in Endoplasmic Reticulum Golgi Intermediate Complex (ERGIC) to form an assembly in the lipid bilayer, followed by membrane-ribonucleoprotein (nucleocapsid) interaction. In this study, we tried to understand the interaction of membrane protein’s interaction with envelope, spike, and nucleocapsid proteins using protein-protein docking. Further, simulation studies performed up to 100 ns to examine the stability of protein-protein complexes of Membrane-Envelope, Membrane-Spike, and Membrane-Nucleocapsid. Prime MM-GBSA showed high binding energy calculations than the docked complex. The interactions identified in our study will be of great importance, as it provides valuable insight into the protein-protein complex, which could be the potential drug targets for future studies.

Abstract All available SARS-CoV-2 spike protein crystal and cryo-EM structures have shown missing electron densities for cytosolic C-terminal regions. Generally, the missing electron densities point towards the intrinsically disordered nature of the protein region. This curiosity has led us to investigate the C terminal cytosolic region of the spike glycoprotein of SARS-CoV-2 in isolation. The cytosolic regions is supposed to be from 1235-1273 residues or 1242-1273 residues depending on what prediction tool we use. Therefore, we have demonstrated the structural conformation of cytosolic region and its dynamics through computer simulations up to microsecond timescale using OPLS and CHARMM forcefields. The simulations have revealed the unstructured conformation of cytosolic region. Also, in temperature dependent replica-exchange molecular dynamics simulations it has shown its conformational dynamics. Further, we have validated our computational observations with circular dichroism (CD) spectroscopy-based experiments and found its signature spectra at 198 nm which is also adding the analysis as its intrinsically disordered nature. We believe that our findings will surely help us understand the structure-function relationship of the spike protein’s cytosolic region. Graphical Abstract

Abstract Zika virus (ZIKV) is a flavivirus, and ZIKV infections in the past 15 years have been linked to Guillain-Barre syndrome and severe complications during pregnancy associated with congenital Zika syndrome. There are no approved therapies or vaccines for ZIKV. In recent years, advances in structure-based drug design methodologies have accelerated drug development pipelines for identifying promising inhibitory compounds against viral diseases. Among ZIKV proteins, NS2B-NS3 protease is an attractive target for antiviral drug development due to its vital role in the proteolytic processing of the single polyprotein. To find potential inhibitors against ZIKV, we used molecular docking at the NS2B-NS3 protease active site as a virtual screening approach with small molecules diverse scaffold-based library with rigorous druglikeness filters. The top-hit compounds with stable molecular dynamics trajectories were then subjected to in-vitro efficacy testing against ZIKV. In docking and molecular dynamics simulation studies, compound F1289-0194 showed stable binding to the NS2B-NS3 protease active site. Furthermore, viral load assays, immunofluorescence, and plaque reduction assays demonstrated that compound F1289-0194 significantly reduced ZIKV load and replication in Vero cells while maintaining cellular integrity. Thus, the compound F1289-0194 merits further investigation as a novel inhibitor against ZIKV replication.

Abstract Flavivirus Non-structural 1 (NS1) protein performs multiple functions such as host immune evasion, interaction with complement system factors, membrane rearrangement, etc. Therefore, it is highly plausible that significant structural and folding dynamics of NS1 might play a role in its multifunctionality. The dimeric structures of NS1 of multiple flaviviruses, including Zika virus (ZIKV), are available. However, its domain-wise dynamics perspective has not been explored so far. Therefore, it is of utmost importance to understand the structural conformations of NS1 and its domains in isolation, possibly highlighting the implications on the overall NS1 protein dynamics. Here, we have employed extensively long molecular dynamic (MD) simulations to understand the role of monomer, dimer, and a reductionist approach in understanding the dynamics of the three structural domains (i.e., β- roll, wing, and β-ladder) in isolation. Further, we experimentally validated our findings using CD spectroscopy and confirmed the intrinsically disordered behavior of NS1 β-roll in isolation and lipid mimetic environments. We also found that the β-ladder domain is highly flexible during long simulations. Therefore, we believe this study may have implications for significant dynamics played by NS1 protein, specifically during oligomerization of NS1. Graphical Abstract Schematic representation of the ZIKV NS1 protein and the models that we have used in this study.

Abstract Capsid-anchor (CA) of Zika virus (ZIKV) is a small, single-pass transmembrane sequence that separates the capsid (C) protein from downstream pre-membrane (PrM) protein. During ZIKV polyprotein processing, CA is cleaved-off from C and PrM and left as a membrane-embedded peptide. CA plays an essential role in the assembly and maturation of the virus. However, its independent folding behavior is still unknown. Since misfolding and aggregation propensity of transmembrane proteins are now increasingly recognized and has been linked to several proteopathic disorders. Therefore, in this study, we investigated the amyloid-forming propensity of CA at physiological conditions. We observed aggregation behavior of CA peptide using dyebinding assays and ThT kinetics. The morphological analysis of CA aggregates explored by high-resolution microscopy (TEM and AFM) revealed characteristic amyloid-like fibrils. Further, the effect on mammalian cells exhibited the cytotoxic nature of the CA amyloid-fibrils. Our findings collectively shed light on the amyloidogenic phenomenon of flaviviral protein, which may contribute to their infection. Graphical Abstract: Schematic representation of Zika virus Capsid anchor forming amyloid aggregates with cytotoxic and hemolytic properties.