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 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.

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 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 .