All retroviruses contain, in the nucleocapsid domain of the Gag protein, one or two copies of the sequence Cys-X2-Cys-X4-His-X4-Cys. We have generated a series of mutants in the two copies of this motif present in human immunodeficiency virus type 1. These mutants encoded virus particles that were apparently composed of the normal complement of viral proteins but contained only 2 to 20% of the normal level of genomic RNA. No infectivity could be detected in the mutant particles, while 10(5) infectious U were present in an equivalent amount of wild-type particles. Thus, the mutants have another defect in addition to the inefficiency with which they encapsidate genomic RNA. Our results show that both copies of the motif are required for normal RNA packaging and for infectivity. Mutants of this type may have important applications, including nonhazardous materials for research, immunogens in vaccine and immunotherapy studies, and diagnostic reagents.

Abstract The host proteins SERINC3 and SERINC5 are HIV-1 restriction factors that reduce infectivity when incorporated into the viral envelope. The HIV-1 accessory protein Nef abrogates incorporation of SERINCs via binding to intracellular loop 4 (ICL4). CryoEM maps of full-length human SERINC3 and an ICL4 deletion construct reveal that hSERINC3 is comprised of two α - helical bundles connected by a ∼40-residue, tilted, “crossmember” helix. The design resembles non-ATP-dependent lipid transporters. Consistently, purified hSERINCs reconstituted into proteoliposomes flip phosphatidylserine (PS), phosphatidylethanolamine and phosphatidylcholine. SERINC3 and SERINC5 reduce infectivity and expose PS on the surface of HIV-1 and also MLV, which is counteracted by Nef and GlycoGag, respectively. Antiviral activities by SERINCs and the scramblase TMEM16F correlate with the exposure of PS and with altered conformation of the envelope glycoprotein. We conclude that SERINCs are lipid transporters, and we demonstrate that lipid flipping is directly correlated with loss of infectivity. One Sentence Summary The HIV-1 restriction factor SERINC3 has a molecular design similar to non-ATP dependent lipid transporters, a function supported by the observation of flipping activity in proteoliposomes and exposure of phosphatidylserine on HIV-1 and MLV particles, which is correlated with loss of infectivity.

Human immunodeficiency virus (HIV) assembly at an infected cell's plasma membrane requires membrane deformation to organize the near-spherical shape of an immature virus. While the cellular expression of HIV Gag is sufficient to initiate budding of virus-like particles, how Gag generates membrane curvature is not fully understood. Using highly curved lipid nanotubes, we have investigated the physicochemical basis of the membrane activity of recombinant nonmyristoylated Gag-Δp6. Gag protein, upon adsorption onto the membrane, resulted in the shape changes of both charged and uncharged nanotubes. This shape change was more pronounced in the presence of charged lipids, especially phosphatidylinositol bisphosphate (PI(4,5)P2). We found that Gag modified the interfacial tension of phospholipid bilayer membranes, as judged by comparison with the effects of amphipathic peptides and nonionic detergent. Bioinformatic analysis demonstrated that a region of the capsid and SP1 domains junction of Gag is structurally similar to the amphipathic peptide magainin-1. This region accounts for integral changes in the physical properties of the membrane upon Gag adsorption, as we showed with the synthetic CA-SP1 junction peptide. Phenomenologically, membrane-adsorbed Gag could diminish the energetic cost of increasing the membrane area in a way similar to foam formation. We propose that Gag acts as a surface-active substance at the HIV budding site that softens the membrane at the place of Gag adsorption, lowering the energy for membrane bending. Finally, our experimental data and theoretical considerations give a lipid-centric view and common mechanism by which proteins could bend membranes, despite not having intrinsic curvature in their molecular surfaces or assemblies.

Abstract The HIV-1 Gag protein is responsible for genomic RNA (gRNA) packaging and immature viral particle assembly. While the presence of gRNA in virions is required for viral infectivity, in its absence, Gag can assemble around cellular RNAs and form particles resembling gRNA-containing particles. When gRNA is expressed, it is selectively packaged despite the presence of excess host RNA, but how it is selectively packaged is not understood. Specific recognition of a gRNA packaging signal (Psi) has been proposed to stimulate the efficient nucleation of viral assembly. However, the heterogeneity of Gag-RNA interactions renders capturing this transient nucleation complex using traditional structural biology approaches challenging. Here, we used native mass spectrometry to investigate RNA binding of wild-type Gag and Gag lacking the p6 domain (GagΔp6). Both proteins bind to Psi RNA primarily as dimers, but to a control RNA primarily as monomers. The dimeric complexes on Psi RNA require an intact dimer interface within Gag. GagΔp6 binds to Psi RNA with high specificity in vitro and also selectively packages gRNA in particles produced in mammalian cells. These studies provide direct support for the idea that Gag binding to Psi specifically nucleates Gag-Gag interactions at the early stages of immature viral particle assembly in a p6-independent manner.

We have investigated the function of inositol hexakisphosphate (IP6) and inositol pentakisphosphate (IP5) in the replication of murine leukemia virus (MLV). While IP6 is known to be critical for the life cycle of HIV-1, its significance in MLV remains unexplored. We find that IP6 is indeed important for MLV replication. It significantly enhances endogenous reverse transcription (ERT) in MLV. Additionally, a pelleting-based assay reveals that IP6 can stabilize MLV cores, thereby facilitating ERT. We find that IP5 and IP6 are packaged in MLV particles. However, unlike HIV-1, MLV depends upon the presence of IP6 and IP5 in target cells for successful infection. This IP6/5 requirement for infection is reflected in impaired reverse transcription observed in IP6/5-deficient cell lines. In summary, our findings demonstrate the importance of capsid stabilization by IP6/5 in the replication of diverse retroviruses; we suggest possible reasons for the differences from HIV-1 that we observed in MLV.IMPORTANCEInositol hexakisphosphate (IP6) is crucial for the assembly and replication of HIV-1. IP6 is packaged in HIV-1 particles and stabilizes the viral core enabling it to synthesize viral DNA early in viral infection. While its importance for HIV-1 is well established, its significance for other retroviruses is unknown. Here we report the role of IP6 in the gammaretrovirus, murine leukemia virus (MLV). We found that like HIV-1, MLV packages IP6, and as in HIV-1, IP6 stabilizes the MLV core thus promoting reverse transcription. Interestingly, we discovered a key difference in the role of IP6 in MLV versus HIV-1: while HIV-1 is not dependent upon IP6 levels in target cells, MLV replication is significantly reduced in IP6-deficient cell lines. We suggest that this difference in IP6 requirements reflects key differences between HIV-1 and MLV replication.

During HIV-1 virus assembly, the genomic RNA (vRNA) is selected for packaging by the viral protein Gag because it contains a specific packaging signal, Psi. While there have been numerous studies of Gag–Psi interactions, there is almost no information on the kinetic aspects of this interaction. We investigated the kinetics of Gag binding to different RNAs using switchSENSE DRX2 technology. We measured the association rate of Gag binding to monomeric Psi, to a “Multiple Binding Site Mutant” Psi that is inactive for genome packaging in vivo, and to a scrambled Psi. We discovered that Gag binds more rapidly to Psi RNA than to the mutant or scrambled RNAs. Furthermore, rapid Gag association kinetics are retained within sub-regions of Psi: Gag associates more rapidly with RNA containing only the 3′ two of the three Psi stem-loops than with monomeric RNA containing the 5′ two stem-loops or a scrambled RNA. No differences were detectable with individual Psi stem-loops. Interestingly, the rate of binding of Gag molecules to Psi increases with increasing Gag concentration, suggesting cooperativity in binding. The results are consistent with the hypothesis that selectivity in packaging derives from kinetic differences in initiation of particle assembly.