Abstract The phenomenon of protein aggregation is associated with a wide range of human diseases. Our knowledge on the aggregation behaviour of viral proteins, however, is still rather limited. Here, we investigated this behaviour in the the SARS-CoV and SARS-CoV-2 proteomes. An initial analysis using a panel of sequence-based predictors suggested the presence of multiple aggregation-prone regions in these proteomes, and revealed an enhanced aggregation propensity in some SARS-CoV-2 proteins. We then studied the in vitro aggregation of predicted aggregation-prone SARS-CoV-2 proteins, including the signal sequence peptide and fusion peptide 1 of the spike protein, a peptide from the NSP6 protein (NSP6-p), the ORF10 protein, and the NSP11 protein. Our results show that these peptides and proteins form aggregates via a nucleation-dependent mechanism. Moreover, we demonstrated that the aggregates of NSP11 are toxic to mammalian cell cultures. These findings provide evidence about the aggregation of proteins in the SARS-CoV-2 proteome. Significance The aggregation of proteins is linked with human disease in a variety of ways. In the case of viral infections, one could expect that the aberrant aggregation of viral proteins may damage the host cells, and also that viral particles may trigger the misfolding and aggregation of host proteins, resulting in damage to the host organism. Here we investigate the aggregation propensity of SARS-CoV-2 proteins and show that many of them can form aggregates that are potentially cytotoxic. In perspective, these results suggest that a better understanding of the effects of viruses on the human protein homeostasis system could help future therapeutic efforts.

Abstract The ability of human encoded soluble proteins to convert into amyloid fibrils is now recognized as a generic phenomenon in several human illnesses. Typically, such disease causal proteins/peptides consist of aggregation-prone regions (APR) that make them susceptible to misfolding and assemble into highly ordered β-sheet rich fibrils, distinct from their native soluble state. Here, we show that the zika virus (ZIKV) consists of several such aggregation prone hotspots spread across its entire proteome. Using a combination of high-accuracy prediction tools, we identified APRs in both structural and non-structural proteins of ZIKV. Furthermore, we have experimentally validated the bioinformatic results by subjecting the ZIKV proteins and peptides to artificial aggregation inducing environment. Using a combination of dye-based assays (ThT and ANS) and microscopy techniques (HR-TEM and AFM), we further characterized the morphological features of amyloid-like fibrils. We found that Envelope domain III (EDIII) protein, NS1 β -roll peptide, membrane-embedded signal peptide 2K, and cytosolic region of NS4B protein to be highly aggregating in the experimental setup. Our findings also pave the way for an extensive and detailed functional analysis of these predicted APRs in the future to enhance our understanding of the role played by amyloids in the pathogenesis of flavivirus. Graphical Abstract

Abstract Flavivirus Non-structural 1 (NS1) protein performs multiple functions such as host immune evasion, interaction with complement system factors, membrane rearrangement, etc. Therefore, it is highly plausible that significant structural and folding dynamics of NS1 might play a role in its multifunctionality. The dimeric structures of NS1 of multiple flaviviruses, including Zika virus (ZIKV), are available. However, its domain-wise dynamics perspective has not been explored so far. Therefore, it is of utmost importance to understand the structural conformations of NS1 and its domains in isolation, possibly highlighting the implications on the overall NS1 protein dynamics. Here, we have employed extensively long molecular dynamic (MD) simulations to understand the role of monomer, dimer, and a reductionist approach in understanding the dynamics of the three structural domains (i.e., β- roll, wing, and β-ladder) in isolation. Further, we experimentally validated our findings using CD spectroscopy and confirmed the intrinsically disordered behavior of NS1 β-roll in isolation and lipid mimetic environments. We also found that the β-ladder domain is highly flexible during long simulations. Therefore, we believe this study may have implications for significant dynamics played by NS1 protein, specifically during oligomerization of NS1. Graphical Abstract Schematic representation of the ZIKV NS1 protein and the models that we have used in this study.

Abstract The SARS-CoV-2 envelope protein (E) is involved in a broad spectrum of functions in the cycle of the virus, including assembly, budding, envelope formation, and pathogenesis. To enable these activities, E is likely to be capable of changing its conformation depending on environmental cues. To investigate this issue, here we characterised the structural properties of the C-terminal domain of E (E-CTD), which has been reported to interact with host cell membranes. We first studied the conformation of the E-CTD in solution, finding characteristic features of a disordered protein. By contrast, in the presence of large unilamellar vesicles and micelles, which mimic cell membranes, the E-CTD was observed to become structured. The E-CTD was also found to display conformational changes with osmolytes. Furthermore, prolonged incubation of the E-CTD under physiological conditions resulted in amyloid-like fibril formation. Taken together, these findings indicate that the E-CTD can change its conformation depending on its environment, ranging from a disordered state, to a membrane-bound folded state, and an amyloid state. Our results thus provide insight into the structural basis of the role of E in the viral infection process. Highlights The E-CTD of SARS-CoV-2 is intrinsically disordered in solution The E-CTD folds into an ordered structure in presence of membrane mimetics The E-CTD displays conformational changes in the presence of osmolytes Prolonged incubation of the E-CTD leads to its self-assembly into amyloid-like fibrils Graphical Abstract Structural heterogeneity of the E-CTD. The E-CTD shows a disordered secondary structure in an aqueous solution and converts into an ordered structure in the presence of membrane mimetics (neutral and negative lipids) and natural osmolytes (TMAO). Incubation at physiological condition shows typical amyloid-like fibrils. The yellow-colored structure represents a predicted structure of the E-CTD by PEP-FOLD.