Abstract Following the success of global vaccination programmes using the live-attenuated oral and inactivated poliovirus vaccines (OPV and IPV), wild poliovirus (PV) is now only endemic in Afghanistan and Pakistan. However, the continued use of these vaccines poses potential risks to the eradication of PV. The production of recombinant PV virus-like particles (VLPs), which lack the viral genome offer great potential as next-generation vaccines for the post-polio world. We have previously reported production of PV VLPs using Pichia pastoris , however, these VLPs were in the non-native conformation (C Ag), which would not produce effective protection against PV. Here, we build on this work and show that it is possible to produce wt PV-3 and thermally-stabilised PV-3 (referred to as PV-3 SC8) VLPs in the native conformation (D Ag) using Pichia pastoris . We show that the PV-3 SC8 VLPs provide a much-improved D:C antigen ratio as compared to wt PV-3, whilst exhibiting greater thermostability than the current IPV vaccine. Finally, we determine the cryo-EM structure of the yeast-derived PV-3 SC8 VLPs and compare this to previously published PV-3 D Ag structures, highlighting the similarities between these recombinantly-expressed VLPs and the infectious virus, further emphasising their potential as a next-generation vaccine candidate for PV.

Abstract Strategies to prevent the recurrence of poliovirus (PV) after eradication may utilise non-infectious, recombinant virus-like particle (VLP) vaccines. Despite clear advantages over inactivated or attenuated virus vaccines, instability of VLPs can compromise their immunogenicity. Glutathione (GSH), an important cellular reducing agent, is a crucial co-factor for the morphogenesis of enteroviruses, including PV. We report cryo-EM structures of GSH bound to PV serotype 3 VLPs showing that it can enhance particle stability. GSH binds the positively charged pocket at the interprotomer interface shown recently to bind GSH in enterovirus F3 and putative antiviral benzene sulphonamide compounds in other enteroviruses. We show, using high-resolution cryo-EM, the binding of a benzene sulphonamide compound with a PV serotype 2 VLP, consistent with antiviral activity through over-stabilizing the interprotomer pocket, preventing the capsid rearrangements necessary for viral infection. Collectively, these results suggest GSH or an analogous tight-binding antiviral offers the potential for stabilizing VLP vaccines.

Abstract Replication of many positive-sense RNA viruses occurs within intracellular membrane-associated compartments. These are believed to provide a favourable environment for replication to occur, concentrating essential viral structural and non-structural components, as well as protecting these components from host-cell pathogen recognition and innate immune responses. However, the details of the molecular interactions and dynamics within these structures is very limited. One of the key components of the replication machinery is the RNA-dependent RNA polymerase, RdRp. This enzyme has been shown to form higher-order fibrils in vitro . Here, using the RdRp from foot-and-mouth disease virus (termed 3D pol ), we report fibril structures, solved at ~7-9 Å resolution by cryo-EM, revealing multiple conformations of a flexible assembly. Fitting high-resolution coordinates led to the definition of potential intermolecular interactions. We employed mutagenesis using a sub-genomic replicon system to probe the importance of these interactions for replication. We use these data to propose models for the role of higher order 3D pol complexes as a dynamic scaffold within which RNA replication can occur.

Enterovirus A71 (EVA71) causes widespread disease in young children with occasional fatal consequences. In common with other picornaviruses, both empty capsids (ECs) and infectious virions are produced during the viral lifecycle. While initially antigenically indistinguishable from virions, ECs readily convert to an expanded conformation at moderate temperatures. In the closely related poliovirus, these conformational changes result in loss of antigenic sites required to elicit protective immune responses. Whether this is true for EVA71 remains to be determined and is the subject of this investigation. We previously reported the selection of a thermally resistant EVA71 genogroup B2 population using successive rounds of heating and passage. The mutations found in the structural protein-coding region of the selected population conferred increased thermal stability to both virions and naturally produced ECs. Here, we introduced these mutations into a recombinant expression system to produce stabilised virus-like particles (VLPs) in

Abstract The enterovirus (EV) genus includes a number of important human and animal pathogens. EV-A71, EV-D68, poliovirus (PV), and coxsackievirus (CV) outbreaks have affected millions worldwide causing a range of upper respiratory, skin, neuromuscular diseases, including acute flaccid myelitis, and hand-foot-and-mouth disease. There are no FDA-approved anti-viral therapeutics for these enteroviruses. In this study, we describe novel broad spectrum anti-viral compounds targeting the conserved non-structural viral protein 2C that have low micro-molar to nanomolar IC 50 values. The selection of resistant mutants resulted in amino acid substitutions in the viral capsid protein, implying a role for 2C in capsid assembly, as has been seen in PV. The assembly and encapsidation stages of the viral life cycle are not fully understood and the inhibitors reported here could be useful probes in understanding these processes.

The positive stranded RNA genomes of picornaviruses comprise a single large open reading frame flanked by 5′ and 3′ untranslated regions (UTRs). Foot-and-mouth disease virus (FMDV) has an unusually large 5′ UTR (1.3 kb) containing five structural domains. These include the internal ribosome entry site (IRES), which facilitates initiation of translation, and the cis-acting replication element (cre). Less well characterised structures are a 5′ terminal 360 nucleotide stem-loop, a variable length poly-C-tract of approximately 100-200 nucleotides and a series of two to four tandemly repeated pseudoknots (PKs). We investigated the structures of the PKs by selective 2′ hydroxyl acetylation analysed by primer extension (SHAPE) analysis and determined their contribution to genome replication by mutation and deletion experiments. SHAPE and mutation experiments confirmed the importance of the previously predicted PK structures for their function. Deletion experiments showed that although PKs are not essential for replication, they provide genomes with a competitive advantage. However, although replicons and full-length genomes lacking all PKs were replication competent, no infectious virus was rescued from genomes containing less than one PK copy. This is consistent with our earlier report describing the presence of putative packaging signals in the PK region.

Abstract Nanoparticle presentation systems offer the potential to develop new vaccines rapidly in response to emerging diseases, a public health need that has become increasingly evident in the wake of the COVID-19 pandemic. Previously, we reported a nanoparticle scaffold system termed VelcroVax, comprising VLPs assembled from a tandem form of hepatitis B virus (HBV) core protein (HBc). This includes a high affinity SUMO binding protein (Affimer) able to recognise a SUMO peptide tag, inserted into the major immunodominant region. Here we describe a modified form of VelcroVax, comprising monomeric HBc with the Affimer inserted at the N-terminus (termed N-VelcroVax). N-VelcroVax VLPs expressed in E. coli effectively bind SUMO-tagged Junín virus glycoprotein, gp1 as assessed by structural and serological analyses. Cryo-EM characterisation of N-VelcroVax complexed with a SUMO-gp1 showed continuous density attributable to the fused Affimer, in addition to evidence of target antigen capture. Collectively, these data suggest that N-VelcroVax has potential as a versatile next generation vaccine scaffold.

Abstract Kobuviruses are an unusual and poorly characterised genus within the picornavirus family, and can cause gastrointestinal enteric disease in humans, livestock and pets. The human Kobuvirus, Aichi virus (AiV) can cause severe gastroenteritis and deaths in children below the age of five years, however this is a very rare occurrence. During the assembly of most picornaviruses (e.g. poliovirus, rhinovirus and foot-and-mouth disease virus), the capsid precursor protein VP0 is cleaved into VP4 and VP2. However, Kobuviruses retain an uncleaved VP0. From studies with other picornaviruses, it is known that VP4 performs the essential function of pore formation in membranes, which facilitates transfer of the viral genome across the endosomal membrane and into the cytoplasm for replication. Here, we employ genome exposure and membrane interaction assays to demonstrate that pH plays a critical role in AiV uncoating and membrane interactions. We demonstrate that incubation at low pH alters the exposure of hydrophobic residues within the capsid, enhances genome exposure and enhances permeabilisation of model membranes. Furthermore, using peptides we demonstrate that the N-terminus of VP0 mediates membrane pore formation in model membranes, indicating that this plays an analogous function to VP4. Importance To initiate infection, viruses must enter a host cell and deliver their genome into the appropriate location. The picornavirus family of small non-enveloped RNA viruses includes significant human and animal pathogens and are also models to understand the process of cell entry. Most picornavirus capsids contain the internal protein VP4, generated from cleavage of a VP0 precursor. During entry, VP4 is released from the capsid. In enteroviruses this forms a membrane pore, which facilitates genome release into the cytoplasm. Due to high levels of sequence similarity, it is expected to play the same role for other picornaviruses. Some picornaviruses, such as Aichi virus, retain an intact VP0, and it is unknown how these viruses re-arrange their capsids and induce membrane permeability in the absence of VP4. Here we have used Aichi virus as a model VP0 virus to test for conservation of function between VP0 and VP4. This could enhance understanding of pore function and lead to development of novel therapeutic agents that block entry.

Abstract Molecular details of genome packaging are little understood for the majority of viruses. In enteroviruses (EVs), cleavage of the structural protein VP0 into VP4 and VP2 is initiated by the incorporation of RNA into the assembling virion and is essential for infectivity. We have applied a combination of bioinformatic, molecular and structural approaches to generate the first high-resolution structure of an intermediate in the assembly pathway, termed a provirion, which contains RNA and intact VP0. We have demonstrated an essential role of VP0 E096 in VP0 cleavage independent of RNA encapsidation and generated a new model of capsid maturation, supported by bioinformatic analysis. This provides a molecular basis for RNA-dependence, where RNA induces conformational changes required for VP0 maturation, but that RNA packaging itself is not sufficient to induce maturation. These data have implications for understanding production of infectious virions and potential relevance for future vaccine and antiviral drug design.