The first structure of a flavivirus has been determined by using a combination of cryoelectron microscopy and fitting of the known structure of glycoprotein E into the electron density map. The virus core, within a lipid bilayer, has a less-ordered structure than the external, icosahedral scaffold of 90 glycoprotein E dimers. The three E monomers per icosahedral asymmetric unit do not have quasiequivalent symmetric environments. Difference maps indicate the location of the small membrane protein M relative to the overlaying scaffold of E dimers. The structure suggests that flaviviruses, and by analogy also alphaviruses, employ a fusion mechanism in which the distal beta barrels of domain II of the glycoprotein E are inserted into the cellular membrane.

Improved technology for reconstructing cryo-electron microscopy (cryo-EM) images has now made it possible to determine secondary structural features of membrane proteins in enveloped viruses. The structure of mature dengue virus particles was determined to a resolution of 9.5 Å by cryo-EM and image reconstruction techniques, establishing the secondary structural disposition of the 180 envelope (E) and 180 membrane (M) proteins in the lipid envelope. The α-helical 'stem' regions of the E molecules, as well as part of the N-terminal section of the M proteins, are buried in the outer leaflet of the viral membrane. The 'anchor' regions of E and the M proteins each form antiparallel E-E and M-M transmembrane α-helices, leaving their C termini on the exterior of the viral membrane, consistent with the predicted topology of the unprocessed polyprotein. This is one of only a few determinations of the disposition of transmembrane proteins in situ and shows that the nucleocapsid core and envelope proteins do not have a direct interaction in the mature virus.

The monoclonal antibody 1A1D-2 has been shown to strongly neutralize dengue virus serotypes 1, 2 and 3, primarily by inhibiting attachment to host cells. A crystal structure of its antigen binding fragment (Fab) complexed with domain III of the viral envelope glycoprotein, E, showed that the epitope would be partially occluded in the known structure of the mature dengue virus. Nevertheless, antibody could bind to the virus at 37 °C, suggesting that the virus is in dynamic motion making hidden epitopes briefly available. A cryo-electron microscope image reconstruction of the virus:Fab complex showed large changes in the organization of the E protein that exposed the epitopes on two of the three E molecules in each of the 60 icosahedral asymmetric units of the virus. The changes in the structure of the viral surface are presumably responsible for inhibiting attachment to cells.

Dengue virus (DENV) is a significant human pathogen that causes millions of infections and results in about 24,000 deaths each year. Dendritic cell-specific ICAM3 grabbing nonintegrin (DC-SIGN), abundant in immature dendritic cells, was previously reported as being an ancillary receptor interacting with the surface of DENV. The structure of DENV in complex with the carbohydrate recognition domain (CRD) of DC-SIGN was determined by cryo-electron microscopy at 25 Å resolution. One CRD monomer was found to bind to two glycosylation sites at Asn67 of two neighboring glycoproteins in each icosahedral asymmetric unit, leaving the third Asn67 residue vacant. The vacancy at the third Asn67 site is a result of the nonequivalence of the glycoprotein environments, leaving space for the primary receptor binding to domain III of E. The use of carbohydrate moieties for receptor binding sites suggests a mechanism for avoiding immune surveillance.

Abstract Recombinant Adeno-associated viruses (rAAVs) are one of the most commonly used vectors for a variety of gene therapy applications. In the last two decades research focused primarily on the characterization and isolation of new cap genes resulting in hundreds of natural and engineered AAV capsid variants while the rep gene, the other major AAV open reading frame, has been less studied. This is due to the fact that the rep gene from AAV serotype 2 (AAV2) enables the ssDNA packaging of recombinant genomes into most AAV serotype and engineered capsids. However, a major byproduct of all vector productions is empty AAV capsids, lacking the encapsidated vector genome, especially for non-AAV2 vectors. Despite the packaging process being considered the rate-limiting step for rAAV production, none of the rep genes from the other AAV serotypes have been characterized for their packaging efficiency. Thus, in this study AAV2 rep was replaced with the rep gene of a select number of AAV serotypes. However, this led to a lowering of capsid protein expression, relative to the standard AAV2- rep system. In further experiments the 3’end of the AAV2 rep gene was reintroduced to promote increased capsid expression and a series of chimeras between the different AAV Rep proteins were generated and characterized for their vector genome packaging ability. The utilization of these novel Rep hybrids increased the percentage of genome containing (full) capsids ~2-4-fold for all of the non-AAV2 serotypes tested. Thus, these Rep chimeras could revolutionize rAAV production. Importance A major byproduct of all Adeno-associated virus (AAV) vector production systems are “empty” capsids, void of the desired therapeutic gene, and thus do not provide any curative benefit for the treatment of the targeted disease. In fact, empty capsids can potentially elicit additional immune responses in vivo gene therapies if not removed by additional purification steps. Thus, there is a need to increase the genome packaging efficiency and reduce the number of empty capsids from AAV biologics. The novel Rep hybrids from different AAV serotypes described in this study are capable of reducing the percentage of empty capsids in all tested AAV serotypes and improve overall yields of genome-containing AAV capsids at the same time. They can likely be integrated easily into existing AAV manufacturing protocols to optimize the production of the generated AAV gene therapy products.

Abstract Parvoviruses (family Parvoviridae ) are defined by their linear monopartite ssDNA genome, T=1 icosahedral capsid, and distinct structural (VP) and non-structural (NS) protein expression cassettes within their genome. Here, we report the first parvovirus with a segmented genome, Acheta domesticus segmented densovirus (AdSDV), a house cricket ( Acheta domesticus ) pathogen. The AdSDV harbors its NS and VP cassettes on two separate segmented genomes. Its VP segment acquired a phospholipase A2-encoding gene via inter-subfamily recombination, which is absent from its capsid. The AdSDV evolved a transcription profile in response to its multipartite replication strategy that has diverged from its Brevihamaparvovirus ancestors. Furthermore, AdSDV assembles three capsid populations, which package one genome segment per particle. The cryoEM structures of these three capsids (2.3 to 3.3 Å resolution) reveal a genome packaging mechanism, which differs from other parvoviruses. This study provides a new perspective on ssDNA genome segmentation and on the plasticity of parvovirus biology.

Abstract Monoclonal antibodies (mAbs) are useful tools to dissect the neutralizing antibody response against the adeno-associated virus (AAV) capsids used as gene therapy delivery vectors. This study structurally characterizes the interactions of 21 human-derived antibodies from patients treated with the AAV9 vector, Zolgensma ® , utilizing high-resolution cryo-electron microscopy. The majority of the bound antibodies do not conform to the icosahedral symmetry of the capsid, thus requiring localized reconstructions. These complex structures provide unprecedented details of the mAbs binding interfaces, with some antibodies inducing structural perturbations of the capsid upon binding. Key surface capsid amino acid residues were identified facilitating the design of capsid variants with an antibody escape phenotype, with the potential to expand the patient cohort treatable with AAV9 vectors to include those that were previously excluded due to their pre-existing neutralizing antibodies, and possibly also to those requiring redosing.