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 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 Zika virus (ZIKV) infection can cause important developmental and neurological defects in Humans. Type I/III interferon responses control ZIKV infection and pathological processes, yet the virus has evolved various mechanisms to defeat these host responses. Here, we established a pipeline to delineate at high-resolution the genetic evolution of ZIKV in a controlled host cell environment. We uncovered that serially passaged ZIKV acquired increased infectivity and simultaneously developed a resistance to TLR3-induced restriction. We built a mathematical model that suggests that the increased infectivity is due to a reduced time-lag between infection and viral replication. We found that this adaptation is cell-type specific, suggesting that different cell environments may drive viral evolution along different routes. Deep-sequencing of ZIKV populations pinpointed mutations whose increased frequencies temporally coincide with the acquisition of the adapted phenotype. We functionally validated S455L, a substitution in ZIKV envelope (E) protein, recapitulating the adapted phenotype. Its positioning on the E structure suggests a putative function in protein refolding/stability. Taken together, our results uncovered ZIKV adaptations to the cellular environment leading to accelerated replication onset coupled with resistance to TLR3-induced antiviral response. Our work provides insights into Zika virus adaptation to host cells and immune escape mechanisms.

Abstract Having varied approaches to the design and manufacture of vaccines is critical in being able to respond to worldwide needs and to newly emerging pathogens. Virus-like particle (VLP) vaccines form the basis of two of the most successful licensed vaccines (against hepatitis B virus (HBV) and human papillomavirus). They are produced by recombinant expression of viral structural proteins, which self-assemble into immunogenic nanoparticles. VLPs can also be modified to present unrelated antigens, and here we describe a universal ‘bolt-on’ vaccine platform (termed VelcroVax) where the capturing VLP and the target antigen (hapten) are produced separately. We utilise a modified HBV core (HBcAg) VLP, with surface expression of a high-affinity binding sequence (Affimer) directed against a SUMO tag and use this to capture SUMO-tagged gp1 glycoprotein from the arenavirus, Junín virus (JUNV). Using this model system, we have solved high-resolution structures of VelcroVax VLPs, and shown that the VelcroVax-JUNV gp1 complex induces superior humoral immune responses compared to the non-complexed viral protein. We propose that this system could be modified to present a range of haptens and therefore form the foundation of future rapid-response vaccination strategies.

Abstract The production of enterovirus virus-like particles (VLPs) which lack the viral genome have great potential as vaccines for a number of diseases, such as poliomyelitis and hand, foot-and-mouth disease. These VLPs can mimic empty capsids, which are antigenically indistinguishable from mature virions, produced naturally during viral infection. Both in infection and in vitro, capsids and VLPs are generated by the cleavage of the P1 precursor protein by a viral protease. Here, using a stabilised poliovirus 1 (PV-1) P1 sequence as an exemplar, we show the production of PV-1 VLPs in Pichia pastoris in the absence of the potentially cytotoxic protease, 3CD, instead using the porcine teschovirus 2A (P2A) peptide sequence to terminate translation between individual capsid proteins. We compare this to protease-dependent production of PV-1 VLPs. Analysis of all permutations of the order of the capsid protein sequences revealed that only VP3 could be tagged with P2A and maintain native antigenicity. Transmission electron microscopy of these VLPs reveals the classic picornaviral icosahedral structure. Furthermore, these particles were thermostable above 37°C, demonstrating their potential as next generation vaccine candidates for PV. Finally, we believe the demonstration that native antigenic VLPs can be produced using protease-independent methods opens the possibility for future enteroviral vaccines to take advantage of recent vaccine technological advances, such as adenovirus-vectored vaccines and mRNA vaccines, circumventing the potential problems of cytotoxicity associated with 3CD, allowing for the production of immunogenic enterovirus VLPs in vivo .

Summary Type I fatty acid synthases (FASs) are critical metabolic enzymes which are common targets for bioengineering in the production of biofuels and other products. Serendipitously, we identified FAS as a contaminant in a cryoEM dataset of virus-like particles (VLPs) purified from P. pastoris , an important model organism and common expression system used in protein production. From these data, we determined the structure of P. pastoris FAS to 3.1 Å resolution. While the overall organisation of the complex was typical of type I FASs, we identified several differences in both structural and enzymatic domains through comparison with the prototypical yeast FAS from S. cerevisiae . Using focussed classification, we were also able to resolve and model the mobile acyl-carrier protein (ACP) domain, which is key for function. Ultimately, the structure reported here will be a useful resource for further efforts to engineer yeast FAS for synthesis of alternate products.

Abstract Polioviruses have caused crippling disease in humans for centuries, prior to the successful development of vaccines in the mid-1900’s, which dramatically reduced disease prevalence. Continued use of these vaccines, however, threatens ultimate disease eradication and achievement of a polio-free world. Virus-like particles (VLPs) that lack a viral genome represent a safer potential vaccine, although they require particle stabilization. Using our previously established genetic techniques to stabilize the structural capsid proteins, we demonstrate production of poliovirus VLPs of all three serotypes, from four different recombinant expression systems. We compare the antigenicity, thermostability and immunogenicity of these stabilized VLPs against the current inactivated polio vaccine, demonstrating equivalent or superior immunogenicity. Structural analyses of these recombinant VLPs provide a rational understanding of the stabilizing mutations and the role of potential excipients. Collectively, we have established these poliovirus stabilized VLPs as viable next-generation vaccine candidates for the future.

Caliciviruses are a diverse group of non-enveloped, positive-sense RNA viruses with a wide range of hosts and transmission routes. Norovirus is the most well-known member of the Caliciviridae; the acute gastroenteritis caused by human norovirus (HuNoV), for example, frequently results in closures of hospital wards and schools during the winter months. One area of calicivirus biology that has gained increasing attention over the past decade is the conformational flexibility exhibited by the protruding (P) domains of the major capsid protein VP1. This was observed in structure analyses of capsids encoded by many species and is often a consequence of environmental cues such as metal ions, changes to pH, or receptor/co-factor engagement. This review summarises the current understanding of P-domain flexibility, discussing the role this region plays in caliciviral infection and immune evasion, and highlighting potential avenues for further investigation.

Type I interferon (IFN-I) is critical for protection against viral infections. Plasmacytoid dendritic cells (pDCs) massively produce IFN-I against viruses. Physical contacts are required for pDC-mediated sensing of cells infected by genetically distant viruses. How and why these contacts are established remains enigmatic. Using dengue, hepatitis C, zika viruses, we demonstrate that the pDC/infected cell interface is a specialized platform for viral immunostimulatory-RNA transfer, which we named interferogenic synapse and required for pDC-mediated antiviral response. This synapse is an exquisitely differentiated territory with polarized adhesion complexes and regulators of actin network and endocytosis. Toll-like receptor 7-induced signaling in pDCs promotes the interferogenic synapse establishment, thus providing a feed-forward regulation that sustains contacts with infected cells. We propose that the interferogenic synapse is crucial to pDC function as it allows scanning of infected cells to locally secrete IFN-I at the infection site, thereby confining a response potentially deleterious to the host.