Abstract The formation of viroplasms is a well-conserved step in the rotavirus (RV) life cycle. In these structures, both virus genome replication and progeny assembly take place. A stabilized microtubule cytoskeleton and lipid droplets are required for the viroplasm formation, which involves several virus proteins. The viral spike protein VP4 has not previously been shown to have a direct role in viroplasm formation. However, it is involved with virus-cell attachment, endocytic internalization, and virion morphogenesis. Moreover, VP4 interacts with actin cytoskeleton components, mainly in processes involving virus entrance and egress, and thereby may have an indirect role in viroplasm formation. In this study, we used reverse genetics to construct a recombinant RV, rRV/VP4-BAP, which contains a biotin acceptor peptide (BAP) in the K145-G150 loop of the VP4 lectin domain, permitting live monitoring. The recombinant virus was replication competent but showed a reduced fitness. We demonstrate that rRV/VP4-BAP infection, as opposed to rRV/wt infection, did not lead to a reorganized actin cytoskeleton as viroplasms formed were insensitive to drugs that depolymerize actin and inhibit myosin. Moreover, wt VP4, but not VP4-BAP, appeared to associate with actin filaments. Similarly, VP4 in co-expression with NSP5 and NSP2 induced a significant increase in the number of viroplasm-like structures. Interestingly, a small peptide mimicking loop K145-G150 rescued the phenotype of rRV/VP4-BAP by increasing its ability to form viroplasms and hence, improve virus progeny formation. Collectively, these results provide a direct link between VP4 and the actin cytoskeleton to catalyze viroplasm assembly. IMPORTANCE The spike protein VP4 participates in diverse steps of the rotavirus (RV) life cycle, including virus-cell attachment, internalization, modulation of endocytosis, virion morphogenesis, and virus egress. Using reverse genetics, we constructed for the first time a recombinant RV, rRV/VP4-BAP, harboring a heterologous peptide in the lectin domain (loop K145-G150) of VP4. The rRV/VP4-BAP was replication-competent but with reduced fitness due to a defect in the ability to reorganize the actin cytoskeleton, which affected the efficiency of viroplasm assembly. This defect was rescued by adding a permeable small-peptide mimicking the wild-type VP4 loop K145-G150. In addition to revealing a new role of VP4, our findings suggest that rRV harboring an engineered VP4 could be used as a new dual vaccination platform providing immunity against RV and additional heterologous antigens.

Abstract Adeno-associated virus type 2 (AAV2) is a small, non-pathogenic, helper virus-dependent parvovirus with a single-stranded (ss) DNA genome of approximately 4.7 kb. AAV2 DNA replication requires the presence of a helper virus such as adenovirus type 5 (AdV5) or herpes simplex virus type 1 (HSV-1) and is generally assumed to occur as a strand-displacement rolling hairpin (RHR) mechanism initiated at the AAV2 3’ inverted terminal repeat (ITR). We have recently shown that AAV2 replication supported by HSV-1 leads to the formation of double-stranded head-to-tail concatemers, which provides evidence for a rolling circle replication (RCR) mechanism. We have revisited AAV2 DNA replication and specifically compared the formation of AAV2 replication intermediates in presence of either HSV-1 or AdV5 as the helper virus. The results confirmed that the AAV2 DNA replication mechanism is helper virus-dependent and follows a strand-displacement RHR mechanism when AdV5 is the helper virus and primarily an RCR mechanism when HSV-1 is the helper virus. We also demonstrate that recombination plays a negligible role in AAV2 genome replication. Interestingly, the formation of high molecular weight AAV2 DNA concatemers in presence of HSV-1 as the helper virus was dependent on an intact HSV-1 DNA polymerase. Importance AAV is a small helper virus-dependent, non-pathogenic parvovirus. The AAV genome replication mechanism was extensively studied in presence of AdV as the helper virus and described to proceed using RHR. Surprisingly, HSV-1 co-infection facilitates RCR of the AAV2 DNA. We directly compared AdV5 and HSV-1 supported AAV2 DNA replication and show that AAV2 can adapt its replication mechanism to the helper virus. Detailed understanding of the AAV replication mechanism expands our knowledge of virus biology and can contribute to increase gene therapy vector production.

The 5 untranslated region (5 UTR) of rodent hepacivirus (RHV) and pegivirus (RPgV) contain sequence homology to the HCV type IV internal ribosome entry sites (IRES). Utilizing a monocistronic expression vector with an RNA polymerase I promoter to drive transcription we show cell-specific IRES translation and regions within the IRES required for full functionality. Focusing on RHV we further pseudotyped lentivirus with RHV and showed cell surface expression of the envelope proteins and transduction of murine hepatocytes.

Adeno-associated virus (AAV) serotypes infect a wide range of cell types, making this member of the parvovirus family a versatile tool in gene therapy. Infection as well as transduction is set in motion by means of specific receptors in conjunction with trafficking pathways, particularly endocytosis, a main cell entry pathway of non-enveloped viruses. Here, we report that efficacy of transduction is enhanced upon treating cells with hyperosmotic sucrose, a known blocker of clathrin-mediated endocytosis, through the non-canonical induction of autophagy. This mechanism of autophagy induction, however, is different from the previously reported AAV2-mediated induction of autophagy, which relies on a canonical, phosphoinositide 3-kinase class III (PI3K-III) complex-dependent pathway and appears to be dependent on the virus intrinsic secreted phospholipase A2 (sPLA 2 ) domain, particularly its catalytic center activity.

Abstract Rotaviruses (RV) are classified into nine species, A-C and D-J, with species A being the most studied. In rotavirus of species A (RVA), replication occurs in viroplasms, which are cytosolic globular inclusions primarily composed of the proteins NSP5, NSP2, and VP2. The co-expression of NSP5 with either NSP2 or VP2 leads to the formation of viroplasm-like structures (VLS). Although morphologically identical to viroplasms, VLSs cannot replicate, but they serve as excellent simplified tools for studying complex viroplasms. There is a knowledge gap regarding viroplasms of non-RVA species due to a lack of research tools, such as specific antibodies and tissue culture systems. In this study, we explored the ability of NSP5 and NSP2 from non-RVA species to form VLSs. The co-expression of these two proteins led to globular VLSs in RV species A, B, D, F, G, and I, while RVC formed filamentous VLSs. The co-expression of NSP5 and NSP2 of RV species H and J did not result in VLS formation. Interestingly, NSP5 of all RV species self-oligomerizes, with the ordered C-terminal region, termed the tail, being necessary for self-oligomerization of RV species A-C and G-J. Except for NSP5 from species J, all NSP5 bound with their respective NSP2. We also found that interspecies VLS are formed between closely related RV species B with G and D with F. Additionally, VLS from RVH and RVJ formed when the tail of NSP5 RVH and RVJ was replaced by the tail of NSP5 from RVA and co-expressed with their respective NSP2. Importance Rotaviruses (RV) are classified into nine species, A-D and F-J, infecting mammals and birds. Due to the lack of research tools, all cumulative knowledge on RV replication is based on RV species A (RVA). The RV replication compartments are globular cytosolic structures named viroplasms, which have only been identified in RV species A. In this study, we examined the formation of viroplasm-like structures (VLS) by the expression of NSP5 with NSP2 across RV species A to J. Globular VLSs formed for RV species A, B, D, F, G, and I, while RV species C formed filamentous structures. The RV species H and J did not form VLS with NSP5 and NSP2. Similar to RVA, NSP5 self-oligomerizes in all RV species, which is a requirement for VLS formation. This study provides basic knowledge of the non-RVA replication mechanisms, which could help develop strategies to halt virus infection across RV species.

Abstract Rotavirus replication takes place in the viroplasms, cytosolic inclusions that allow the synthesis of virus genome segments and their encapsidation in the core shell followed by the addition of the second layer of the virion. The viroplasms are composed of several viral proteins, including NSP5, which is the main building block. Microtubules, lipid droplets, and miRNA-7 are among the host components recruited in viroplasms. To investigate the relationship between rotavirus proteins and host components of the viroplasms, we performed a pull-down assay of lysates from rotavirus-infected cells expressing NSP5-BiolD2. Subsequent tandem mass spectrometry identified all eight subunits of the TRiC complex, a cellular chaperonin responsible for folding at least 10% of the cytosolic proteins. Our validated results show that TRiC is recruited in viroplasms and specifically surrounds newly formed double-layered particles (DLPs). Chemical inhibition of TRiC and silencing of its subunits drastically reduced virus progeny production. Interestingly, TRiC-inhibited RV-infected cells lacked triple-layered particles (TLPs) but harbored empty DLPs. Through sequence-specific direct RNA nanopore sequencing, we show that TRiC is critical for RV replication by controlling dsRNA genome segment synthesis, particularly (-)ssRNA. Moreover, TRiC associates and regulates the folding of VP2, a cofactor allowing dsRNA synthesis. This study provides in-cell culture evidence of the regulatory mechanism by which dsRNA genome segment replication is controlled and coordinated in the rotavirus viroplasms. Importance The replication of rotavirus takes place in cytosolic inclusions termed viroplasms. In these inclusions, the eleven double-stranded RNA genome segments are synthesized and packaged individually into the newly generated virus particles. In this study, we show for the first time that the TRiC complex, a cellular chaperonin responsible for the folding of at least 10% of the cytosolic proteins, is a component of viroplasms and is required for the synthesis of the viral (-)ssRNA. Specifically, TRiC interacts and assists in folding VP2, the cofactor involved in RNA replication. Our study adds a new component to the current model of rotavirus replication, where TRiC is recruited in viroplasm to assist replication.

ABSTRACT Adeno-associated virus (AAV) genome replication only occurs in the presence of a co-infecting helper virus such as adenovirus type 5 (AdV5) or herpes simplex virus type 1 (HSV-1). AdV5-supported replication of the AAV genome has been described to occur in a strand-displacement rolling hairpin replication (RHR) mechanism initiated at the AAV 3’ inverted terminal repeat (ITR) end. It has been assumed that the same mechanism applies to HSV-1-supported AAV genome replication. Using nanopore sequencing as a novel, high-throughput approach to study viral genome replication we demonstrate the formation of double-stranded head-to-tail concatemers of AAV genomes in the presence of HSV-1, thus providing evidence for an unequivocal rolling circle replication (RCR) mechanism. This stands in contrast to the textbook model of AAV genome replication when HSV-1 is the helper virus. SIGNIFICANCE Efficient adeno-associated virus (AAV) replication requires the presence of helper factors, which can be provided by co-infecting helper viruses such as adenoviruses or herpesviruses. AAV replication has been described to occur as a rolling hairpin replication mechanism. However, we show that during a herpes simplex virus type 1 (HSV-1) supported replication, AAV rolling circle-like replication intermediates are formed. Thus, this study stands in contrast to the textbook model of AAV genome replication. Additionally, we introduce nanopore sequencing as a novel, high-throughput approach to study viral genome replication in unprecedented detail.

The rotavirus (RV) VP4 spike protrudes as a trimeric structure from the five-fold axes of the virion triple-layer. Infectious RV particles need to be proteolytically cleaved in VP4 into two subunits, VP8* and VP5*, constituting both the distal part and central body of the virus spike. Modification of VP4 has been challenging as it is involved in biological processes such as the interaction with sialic acid and integrins, cell tropism and hemagglutinin activity. Using RV reverse genetics, four loops in the lectin domain of the VP8* subunit were engineered independently to harbor a small biotin acceptor peptide (BAP) tag and then tested for their ability to rescue virus. Only a single recombinant virus, rRV/VP4-BAP, harboring VP4 with a modified loop at position K145-G150 was rescued. This rRV/VP4-BAP internalizes, replicates, and generates virus progeny, demonstrating that the VP4 spike of RV particles can be genetically manipulated by the incorporation of at least 15 exogenous amino acids. VP4-BAP had a similar distribution as VP4 in infected cells by localizing in the cytoskeleton and surrounding viroplasms. However, compared to wild-type RV, rRV/VP4-BAP featured a reduced replication fitness and impaired viroplasm stability. Upon treatment with 1,6-hexanediol, a drug disrupting liquid-liquid phase-separated condensates, the kinetic of rRV/VP4-BAP viroplasm recovery was delayed, and their size and numbers reduced when compared to viroplasms of wild type RV. Moreover, siRNA silencing of VP4 expression in RV strain SA11 showed similar recovery patterns as rRV/VP4-BAP, revealing a novel function of VP4 in viroplasm stability.

Abstract Nucleoli are membrane-less structures located within the nucleus and are known to be involved in many cellular functions, including stress response and cell cycle regulation. Besides, many viruses can employ the nucleolus or nucleolar proteins to promote different steps of their life cycle such as replication, transcription and assembly. While adeno-associated virus type 2 (AAV2) capsids have previously been reported to enter the host cell nucleus and accumulate in the nucleolus, both the role of the nucleolus in AAV2 infection, and the viral uncoating mechanism remain elusive. In all prior studies on AAV uncoating, viral capsids and viral genomes were not directly correlated on the single cell level, at least not in absence of a helper virus. To elucidate the properties of the nucleolus during AAV2 infection and to assess viral uncoating on a single cell level, we combined immunofluorescence analysis for detection of intact AAV2 capsids and capsid proteins with fluorescence in situ hybridization for detection of AAV2 genomes. The results of our experiments provide evidence that uncoating of AAV2 particles occurs in a stepwise process that is completed in the nucleolus and supported by alteration of the nucleolar structure. Author Summary Adeno-associated virus (AAV) capsids have been reported to enter the host cell nucleus and accumulate in the nucleolus. However, both the role of the nucleolus in AAV2 infection as well as the viral uncoating mechanism remain unknown. Here, we provide evidence that uncoating of the AAV2 particle is a stepwise process that is completed in the nucleolus and supported by alteration of the nucleolar morphology.

ABSTRACT We determined the transcription profile of AAV2-infected primary human fibroblasts. Subsequent analysis revealed that cells respond to AAV infection through changes in several significantly affected pathways including cell cycle regulation, chromatin modulation, and innate immune responses. Various assays were performed to validate selected differentially expressed genes and confirmed not only the quality but also the robustness of the raw data. One of the genes upregulated in AAV2 infected cells was the interferon-ɣ inducible factor 16 (IFI16). IFI16 is known as a multifunctional cytosolic and nuclear innate immune sensor for double-stranded, as well as single-stranded DNA, exerting its effects through various mechanisms, such as interferon response, epigenetic modifications, or transcriptional regulation. IFI16 thereby constitutes a restriction factor for many different viruses amongst them, as shown here, AAV2 and thereof derived vectors. Indeed, the post-transcriptional silencing of IFI16 significantly increased AAV2 transduction efficiency, independent of the structure of the virus/vector genome. We also show that IFI16 exerts its inhibitory effect on AAV2 transduction in an immune-modulatory independent way, by interfering with Sp1-dependent transactivation of wild-type AAV2 and AAV2 vector promoters. IMPORTANCE Adeno-associated virus (AAV) vectors are among the most frequently used viral vectors for gene therapy. The lack of pathogenicity of the parental virus, the long-term persistence as episomes in non-proliferating cells, and the availability of a variety of AAV serotypes differing in their cellular tropism are advantageous features of this biological nanoparticle. To deepen our understanding of virus-host interactions, especially in terms of innate immune responses, we present here the first transcriptome analysis of AAV serotype 2 (AAV2) infected human primary fibroblasts. Our findings indicate that the interferon-ɣ inducible factor 16 (IFI16) acts as an antiviral factor in AAV2 infection and AAV2 vector-mediated cell transduction in an immune-modulatory independent way by interrupting the Sp1-dependent gene expression from viral or vector genomes.