ABSTRACT Viral structural proteins can have multiple activities. Antivirals that target structural proteins have potential to exhibit multiple antiviral mechanisms. Hepatitis B Virus (HBV) core protein (Cp) is involved in most stages of the viral lifecycle: it assembles into capsids, packages viral RNA, is a metabolic compartment for reverse transcription, interacts with nuclear trafficking machinery, and disassembles to release the viral genome into the nucleus. During nuclear localization, HBV capsids bind to host importins (e.g. Impβ) via Cp’s C-terminal domain (CTD); the CTD is localized to the interior of the capsid and is transiently exposed on the exterior. We used HAP12 as a representative Cp Allosteric Modulators (CpAMs), a class of antivirals that inappropriately stimulates and misdirects HBV assembly and deforms capsids. CpAM impact on other aspects of the HBV lifecycle is poorly understood. We investigated how HAP12 influenced the interactions between empty or RNA-filled capsids with Impβ and trypsin in vitro . We showed that HAP12 can modulate CTD accessibility and capsid stability, depending on the saturation of HAP12-binding sites. We demonstrated that Impβ synergistically contributes to capsid disruption at high levels of HAP12 saturation, using electron microscopy to visualize disruption and rearrangement of Cp dimers into aberrant complexes. However, RNA-filled capsids resisted the destabilizing effects of HAP12 and Impβ. In summary, we show host protein-induced catalysis of capsid disruption, an unexpected additional mechanism of action for CpAMs. Potentially, untimely capsid disassembly can hamper the HBV lifecycle and also cause the virus to become vulnerable to host innate immune responses. IMPORTANCE The HBV core, an icosahedral complex of 120 copies of the homodimeric core (capsid) protein with or without packaged nucleic acid, is transported to the host nucleus by its interaction with host importin proteins. Importin-core interaction requires the core protein C-terminal domain, which is inside the capsid, to “flip” to the capsid exterior. Core-protein directed drugs that affect capsid assembly and stability have been developed recently. We show that these molecules can, synergistically with importins, disrupt capsids. This mechanism of action, synergism with host protein, has potential to disrupt the virus lifecycle and activate the innate immune system.

Hepatitis B virus (HBV) displays remarkable self-assembly capabilities that interest the scientific community and biotechnological industries as HBV is leading to an annual mortality of up to 1 million people worldwide (especially in Africa and Southeast Asia). When the ionic strength is increased, hepatitis B virus-like particles (VLPs) can assemble from dimers of the first 149 residues of the HBV capsid protein core assembly domain (Cp149). Using solution small-angle X-ray scattering, we investigated the disassembly of the VLPs by titrating guanidine hydrochloride (GuHCl). Measurements were performed with and without 1 M NaCl, added either before or after titrating GuHCl. Fitting the scattering curves to a linear combination of atomic models of Cp149 dimer (the subunit) and T = 3 and T = 4 icosahedral capsids revealed the mass fraction of the dimer in each structure in all the titration points. Based on the mass fractions, the variation in the dimer–dimer association standard free energy was calculated as a function of added GuHCl, showing a linear relation between the interaction strength and GuHCl concentration. Using the data, we estimated the energy barriers for assembly and disassembly and the critical nucleus size for all of the assembly reactions. Extrapolating the standard free energy to [GuHCl] = 0 showed an evident hysteresis in the assembly process, manifested by differences in the dimer–dimer association standard free energy obtained for the disassembly reactions compared with the equivalent assembly reactions. Similar hysteresis was observed in the energy barriers for assembly and disassembly and the critical nucleus size. The results suggest that above 1.5 M, GuHCl disassembled the capsids by attaching to the protein and adding steric repulsion, thereby weakening the hydrophobic attraction.

The alphavirus Chikungunya virus is transmitted to humans via infected mosquitos. Most infected humans experience symptoms which can range from short-term fatigue and fever to debilitating arthritis that can last for months or years. Some patients relapse and experience symptoms months or years after the initial bout of disease. The capsid protein of Chikungunya virus forms a shell around the viral RNA genome; this structure is called the nucleocapsid core. The core protects the genome during virus transmission and with the correct environmental trigger, this proteinaceous shell dissociates and releases the viral genome to initiate infection. We hypothesized that targeting compounds to interfere with the nucleocapsid core's funtion would constrain virus spread either by inhibiting the release of viral genomes during entry or by reducing the number of infectious virus particles assembled. We implemented a high throughput, in vitro , FRET-based assay to monitor nucleic acid pacakaging by purified Chikungunya capsid protein as a proxy for nucleocapsid core assembly and disassembly. We screened 10,000 compounds and found 45 that substantially modulated the assembly of core-like particles. A subset of compounds was selected to study their effects in virus-infected vertebrate cells. Our results show that four compounds inhibit infectious virus production by at least 90% in a dose-dependent manner. The most promising inhibitor was tested and found to reduce the amount of nucleocapsid cores inside the cell during Chikungunya virus infection. These compounds could be the foundation for anti-viral therapeutics.

Abstract SARS-CoV-2 Nucleocapsid protein ( N ) is a viral structural protein that packages the 30kb genomic RNA inside virions and forms condensates within infected cells through liquid-liquid phase separation ( LLPS ). N, in both soluble and condensed forms, has accessory roles in the viral life cycle including genome replication and immunosuppression. The ability to perform these tasks depends on phase separation and its reversibility. The conditions that stabilize and destabilize N condensates and the role of N-N interactions are poorly understood. We have investigated LLPS formation and dissolution in a minimalist system comprised of N protein and an ssDNA oligomer just long enough to support assembly. The short oligo allows us to focus on the role of N-N interaction. We have developed a sensitive FRET assay to interrogate LLPS assembly reactions from the perspective of the oligonucleotide. We find that N alone can form oligomers but that oligonucleotide enables their assembly into a three-dimensional phase. At a ∼1:1 ratio of N to oligonucleotide LLPS formation is maximal. We find that a modest excess of N or of nucleic acid causes the LLPS to break down catastrophically. Under the conditions examined here assembly has a critical concentration of about 1 µM. The responsiveness of N condensates to their environment may have biological consequences. A better understanding of how nucleic acid modulates N-N association will shed light on condensate activity and could inform antiviral strategies targeting LLPS.

Hepatitis B Virus (HBV) is an endemic, chronic virus that leads to 800,000 deaths per year. Central to the HBV lifecycle, the viral core has a protein capsid assembled from many copies of a single protein. The capsid protein adopts different (quasi-equivalent) conformations to form icosahedral capsids containing 180 or 240 proteins, T =3 or T =4 respectively in Caspar-Klug nomenclature. HBV capsid assembly has become an important target for new antivirals; nonetheless the assembly pathways and mechanisms that control HBV dimorphism remain unclear. We describe computer simulations of HBV assembly, using a coarse-grained model that has parameters learned from all-atom molecular dynamics simulations of a complete HBV capsid, and yet is computationally tractable. Dynamical simulations with the resulting model reproduce experimental observations of HBV assembly pathways and products. By constructing Markov state models and employing transition path theory, we identify pathways leading to T =3, T =4, and other experimentally observed capsid morphologies. The analysis identifies factors that control this polymorphism, in particular, the conformational free energy landscape of the capsid proteins and their interactions.

Development of antiviral molecules that bind virion is a strategy that remains in its infancy and the details of their mechanisms are poorly understood. Here we investigate the behavior of DBT1, a dibenzothiazepine, which specifically interacts with the capsid protein of Hepatitis B Virus (HBV). We found that DBT1 stabilizes protein-protein interaction, accelerates capsid assembly, and can induce formation of aberrant particles. Paradoxically, DBT1 can cause pre-formed capsids to dissociate. These activities may lead to (i) assembly of empty and defective capsids, inhibiting formation of new virus and (ii) disruption of mature viruses, which are metastable, to inhibit new infection. Using cryoelectron microscopy we observed that DBT1 led to asymmetric capsids where well-defined DBT1 density was bound at all inter-subunit contacts. These results suggest that DBT1 can support assembly by increasing buried surface area but induce disassembly of metastable capsids by favoring asymmetry to induce structural defects.

Hepadnaviruses are hepatotropic enveloped DNA viruses with an icosahedral capsid. Hepatitis B virus (HBV) causes chronic infection in an estimated 240 million people; Woodchuck Hepatitis virus (WHV), an HBV homologue, has been an important model system for drug development. The dimeric capsid protein (Cp) plays multiple functions during the viral life cycle and thus has become an important target for a new generation of antivirals. Purified HBV and WHV Cp spontaneously assemble into 120-dimer capsids. Though they have 65% identity, WHV Cp has error-prone assembly with stronger protein-protein association. We have taken advantage of the differences in assembly to investigate the basis of assembly regulation. We have determined the structures of the WHV capsid to 4.5 Å resolution by cryo-EM and the WHV Cp dimer to 2.9 Å resolution by crystallography and examined the biophysical properties of the dimer. We found, in dimer, the subdomain that makes protein-protein interactions is partially disordered and rotated 21° from its position in capsid. This subdomain is susceptible to proteolysis, consistent with local disorder. These data show there is an entropic cost for assembly that is compensated for by the energetic gain of burying hydrophobic interprotein contacts. We propose a series of stages in assembly that incorporate disorder-to-order transition and structural shifts. WHV assembly shows similar susceptibility to HBV antiviral molecules, suggesting that HBV assembly follows similar transitions and indicating WHV's importance as a model system for drug development. We suggest that a cascade of structural changes may be a common mechanism for regulating high fidelity capsid assembly in HBV and other viruses.