Hepatitis B virus (HBV) entry has been analyzed using infection-susceptible cells, including primary human hepatocytes, primary tupaia hepatocytes, and HepaRG cells. Recently, the sodium taurocholate cotransporting polypeptide (NTCP) membrane transporter was reported as an HBV entry receptor. In this study, we established a strain of HepG2 cells engineered to overexpress the human NTCP gene (HepG2-hNTCP-C4 cells). HepG2-hNTCP-C4 cells were shown to be susceptible to infection by blood–borne and cell culture-derived HBV. HBV infection was facilitated by pretreating cells with 3% dimethyl sulfoxide permitting nearly 50% of the cells to be infected with HBV. Knockdown analysis suggested that HBV infection of HepG2-hNTCP-C4 cells was mediated by NTCP. HBV infection was blocked by an anti-HBV surface protein neutralizing antibody, by compounds known to inhibit NTCP transporter activity, and by cyclosporin A and its derivatives. The infection assay suggested that cyclosporin B was a more potent inhibitor of HBV entry than was cyclosporin A. Further chemical screening identified oxysterols, oxidized derivatives of cholesterol, as inhibitors of HBV infection. Thus, the HepG2-hNTCP-C4 cell line established in this study is a useful tool for the identification of inhibitors of HBV infection as well as for the analysis of the molecular mechanisms of HBV infection.

Chronic hepatitis B virus (HBV) infection is a major public health problem worldwide. Although nucleos(t)ide analogs inhibiting viral reverse transcriptase are clinically available as anti-HBV agents, emergence of drug-resistant viruses highlights the need for new anti-HBV agents interfering with other targets. Here we report that cyclosporin A (CsA) can inhibit HBV entry into cultured hepatocytes. The anti-HBV effect of CsA was independent of binding to cyclophilin and calcineurin. Rather, blockade of HBV infection correlated with the ability to inhibit the transporter activity of sodium taurocholate cotransporting polypeptide (NTCP). We also found that HBV infection-susceptible cells, differentiated HepaRG cells and primary human hepatocytes expressed NTCP, while nonsusceptible cell lines did not. A series of compounds targeting NTCP could inhibit HBV infection. CsA inhibited the binding between NTCP and large envelope protein in vitro. Evaluation of CsA analogs identified a compound with higher anti-HBV potency, having a median inhibitory concentration <0.2 μM.This study provides a proof of concept for the novel strategy to identify anti-HBV agents by targeting the candidate HBV receptor, NTCP, using CsA as a structural platform.

Sodium taurocholate cotransporting polypeptide (NTCP) is a host cell receptor required for hepatitis B virus (HBV) entry. However, the susceptibility of NTCP-expressing cells to HBV is diverse depending on the culture condition. Stimulation with epidermal growth factor (EGF) was found to potentiate cell susceptibility to HBV infection. Here, we show that EGF receptor (EGFR) plays a critical role in HBV virion internalization. In EGFR-knockdown cells, HBV or its preS1-specific fluorescence peptide attached to the cell surface, but its internalization was attenuated. PreS1 internalization and HBV infection could be rescued by complementation with functional EGFR. Interestingly, the HBV/preS1-NTCP complex at the cell surface was internalized concomitant with the endocytotic relocalization of EGFR. Molecular interaction between NTCP and EGFR was documented by immunoprecipitation assay. Upon dissociation from functional EGFR, NTCP no longer functioned to support viral infection, as demonstrated by either (i) the introduction of NTCP point mutation that disrupted its interaction with EGFR, (ii) the detrimental effect of decoy peptide interrupting the NTCP-EGFR interaction, or (iii) the pharmacological inactivation of EGFR. Together, these data support the crucial role of EGFR in mediating HBV-NTCP internalization into susceptible cells. EGFR thus provides a yet unidentified missing link from the cell-surface HBV-NTCP attachment to the viral invasion beyond the host cell membrane.

Abstract Hepatitis delta virus (HDV) is a satellite virus that requires hepadnavirus envelope proteins for its transmission. Although recent studies identified HDV-related deltaviruses in certain animals, the evolution of deltaviruses, such as the origin of HDV and the mechanism of its coevolution with its helper viruses, is unknown, mainly because of the phylogenetic gaps among deltaviruses. Here we identified novel deltaviruses of passerine birds, woodchucks, and white-tailed deer by extensive database searches and molecular surveillance. Phylogenetic and molecular epidemiological analyses suggest that HDV originated from mammalian deltaviruses and the past interspecies transmission of mammalian and passerine deltaviruses. Further, metaviromic and experimental analyses suggest that the satellite-helper relationship between HDV and hepadnavirus was established after the divergence of the HDV lineage from non-HDV mammalian deltaviruses. Our findings enhance our understanding of deltavirus evolution, diversity, and transmission, indicating the importance of further surveillance for deltaviruses.

Hepatitis B virus (HBV) and its hepadnavirus relatives infect a wide range of vertebrates from fish to human. Hepadnaviruses and their hosts have a long history of acquiring adaptive mutations. However, there are no reports providing direct molecular evidence for such a coevolutionary arms race between hepadnaviruses and their hosts. Here, we present evidence suggesting the adaptive evolution of the sodium taurocholate cotransporting polypeptide (NTCP), an HBV receptor, has been influenced by virus infection. Evolutionary analysis of the NTCP-encoding genes from 20 mammals showed that most NTCP residues are highly conserved among species, exhibiting evolution under negative selection (dN/dS < 1); this observation implies that the evolution of NTCP is restricted by maintaining its original protein function. However, 0.7 % of NTCP amino acid (aa) residues exhibit rapid evolution under positive selection (dN/dS > 1). Notably, a substitution at aa 158, a positively selected residue, converting the human NTCP to a monkey-type sequence abrogated the capacity to support HBV infection; conversely, a substitution at this residue converting the monkey Ntcp to the human sequence was sufficient to confer HBV susceptibility. Together, these observations suggested that positive selection at aa 158 was induced by virus infection. Moreover, the aa 158 sequence determined attachment of the HBV envelope protein to host cell, demonstrating the mechanism whereby HBV infection would create positive selection at this residue in NTCP. In summary, we provide the first evidence in agreement with the function of hepadnavirus as a driver for inducing an adaptive mutation in host receptor.

Chronic infection of hepatitis B virus (HBV) is caused by the persistence of closed circular DNA (cccDNA) in the nucleus of infected hepatocytes. Despite available therapeutic anti-HBV agents, eliminating the cccDNA remains challenging. The quantifying and understanding dynamics of cccDNA are essential for developing effective treatment strategies and new drugs. However, it requires a liver biopsy to measure the intrahepatic cccDNA, which is basically not accepted because of the ethical aspect. We here aimed to develop a non-invasive method for quantifying cccDNA in the liver using surrogate markers present in peripheral blood. We constructed a multiscale mathematical model that explicitly incorporates both intracellular and intercellular HBV infection processes. The model, based on age-structured partial differential equations (PDEs), integrates experimental data from in vitro and in vivo investigations. By applying this model, we successfully predicted the amount and dynamics of intrahepatic cccDNA using specific viral markers in serum samples, including HBV DNA, HBsAg, HBeAg, and HBcrAg. Our study represents a significant step towards advancing the understanding of chronic HBV infection. The non-invasive quantification of cccDNA using our proposed methodology holds promise for improving clinical analyses and treatment strategies. By comprehensively describing the interactions of all components involved in HBV infection, our multiscale mathematical model provides a valuable framework for further research and the development of targeted interventions.