Abstract The mature HIV-1 capsid protects the viral genome and interacts with host proteins to travel from the cell periphery into the nucleus. To achieve this, the capsid protein, CA, constructs conical capsids from a lattice of hexamers and pentamers, and engages in and then relinquishes multiple interactions with cellular proteins in an orchestrated fashion. Cellular host factors including Nup153, CPSF6 and Sec24C engage the same pocket within CA hexamers. How CA assembles pentamers and hexamers of different curvatures, how CA oligomerization states or curvature might modulate host-protein interactions, and how binding of multiple co-factors to a single site is coordinated, all remain to be elucidated. Here, we have resolved the structure of the mature HIV-1 CA pentamer and hexamer from conical CA-IP 6 polyhedra to high resolution. We have determined structures of hexamers in the context of multiple lattice curvatures and number of pentamer contacts. Comparison of these structures, bound or not to host protein peptides, revealed two structural switches within HIV-1 CA that modulate peptide binding according to CA lattice curvature and whether CA is hexameric or pentameric. These observations suggest that the conical HIV-1 capsid has different host-protein binding properties at different positions on its surface, which may facilitate cell entry and represent an evolutionary advantage of conical morphology. Significance statement HIV-1 particles contain a characteristic, conical capsid that shields the genome from the cellular immune system and recruits cellular proteins to direct the capsid to the nucleus. The cone forms from hexamers of CA protein, and twelve pentamers that accommodate curvature. We obtained detailed 3D models of pentamers and hexamers at positions on capsid surfaces with different curvatures. We find two places in CA that switch conformation according to the local capsid curvature and whether CA is in a pentamer or hexamer. We also obtained models of CA bound to peptides from cellular proteins. The data show how switches in CA help it form a cone shape, and interact differently with cellular proteins at different positions on the cone surface.

Abstract The HIV-1 capsid houses the viral genome and interacts extensively with host cell proteins throughout the viral life cycle. It is composed of capsid protein (CA), which assembles into a conical fullerene lattice composed of roughly 200 CA hexamers and 12 CA pentamers. Previous structural analyses of individual CA hexamers and pentamers have provided valuable insight into capsid structure and function, but high-resolution information about these assemblies in the broader context of the capsid lattice is lacking. In this study, we combined cryo-electron tomography and single particle analysis cryo-electron microscopy to determine high-resolution structures of continuous regions of the capsid lattice containing both hexamers and pentamers. We also developed a new method of in vitro lattice assembly that enabled us to directly study the lattice under a wider range of conditions than has previously been possible. Using this approach, we identified a critical role for inositol hexakisphosphate (IP6) in pentamer formation and determined the structure of the CA lattice bound to the capsid-targeting antiretroviral drug GS-6207 (Lenacapvir). Our work reveals new structural details of the mature HIV-1 CA lattice and establishes the combination of lattice templating and single particle analysis as a robust strategy for studying retroviral capsid structure and capsid interactions with host proteins and antiviral compounds. Significance statement The mature HIV-1 capsid is composed of the capsid (CA) protein arranged in a conical lattice of hexamers and pentamers. Numerous structures of individual CA hexamers and pentamers alone have been published, but the molecular details of these assemblies in a more global, lattice-wide context are lacking. Here, we present high-resolution cryo-electron microscopy structures of continuous regions of the capsid lattice containing both hexamers and pentamers. We also describe key differences in the assembly and structures of these oligomers that have important implications for understanding retroviral maturation and for ongoing efforts to pharmacologically target the HIV-1 capsid.

Abstract Human T-cell leukemia virus type 1 (HTLV-1) has an atypical immature particle morphology compared to other retroviruses. This indicates that these particles are formed in a way that is unique. Here we report the results of cryo-electron tomography (cryo-ET) studies of HTLV-1 virus-like particles (VLPs) assembled in vitro , as well as derived from cells. This work shows that HTLV-1 employs an unconventional mechanism of Gag-Gag interactions to form the immature viral lattice. Analysis of high-resolution structural information from immature CA tubular arrays reveals that the primary stabilizing component in HTLV-1 is CA-NTD. Mutagenesis and biophysical analysis support this observation. This distinguishes HTLV-1 from other retroviruses, in which the stabilization is provided primarily by the CA-CTD. These results are the first to provide structural details of the quaternary arrangement of Gag for an immature deltaretrovirus, and this helps explain why HTLV-1 particles are morphologically distinct.

Abstract Inositol hexakisphosphate (IP6) potently stimulates HIV-1 particle assembly in vitro and infectious particle production in vivo . However, knockout cells lacking the enzyme inositol-pentakisphosphate 2-kinase (IPPK-KO), which adds the final phosphate to inositol pentakisphosphate (IP5) to produce IP6, were still able to produce infectious HIV-1 particles at a greatly reduced rate. HIV-1 in vitro assembly can also be stimulated to a lesser extent with IP5, but it was not known if IP5 could also function in promoting assembly in vivo . IPPK-KO cells expressed no detectable IP6 but elevated IP5 levels and displayed a 20-100-fold reduction in infectious particle production, correlating with lost virus release. Transient transfection of an IPPK expression vector stimulated infectious particle production and release in IPPK-KOs but not in wildtype cells. Several attempts to make an IP6 and IP5 deficient stable cell line were not successful, but transient expression of multiple inositol polyphosphate phosphatase-1 (MINPP1) into IPPK-KOs resulted in the near ablation of IP6 and IP5. Under these conditions, HIV-1 infectious particle production and virus release were essentially abolished (1000-fold reduction). However, other retroviruses including a Gammaretrovirus, a Betaretrovirus, and two non-primate Lentiviruses displayed only a modest (3-fold) reduction in infectious particle production from IPPK-KOs and were not significantly altered by expression of IPPK or MINPP1. The only other retrovirus found that showed a clear IP6/IP5 dependence was the primate (macaque) Lentivirus Simian Immunodeficiency Virus (SIV-mac), which displayed similar sensitivity to IP6/IP5 levels as HIV-1. Finally, we found that loss of IP6/IP5 in viral target cells had no effect on permissiveness to HIV-1 infection. However, because it was not possible to generate viral particles devoid of IP6 and IP5, we were not able to determine if IP6 or IP5 derived from the virus producer cells is required at additional steps beyond assembly. Author Summary Inositol hexakisphosphate (IP6) is a co-factor required for efficient production of infectious HIV-1 particles. The HIV-1 structural protein Gag forms a hexagonal lattice structure. The negatively charged IP6 sits in the middle of the hexamer and stabilizes a ring of positively charged lysines. Previously described results show that depletion of IP6 reduces, but does not eliminate, infectious virus production. This depletion was achieved through knock-out of inositol-pentakisphosphate 2-kinase (IPPK-KO), the enzyme responsible for adding the sixth and final phosphate to the molecule. Whether IP6 is required, another inositol phosphate can substitute, or IP6 is simply acting as an enhancer for virus production was unknown. Here, we show that loss of IP6 and inositol pentakisphosphate (IP5) abolishes infectious HIV-1 production from cells. We do this through a cell-based system using transiently expressed proteins to restore or deplete IP6 and IP5 in the IPPK-KO cell line. We further show that the IP6 and IP5 requirement is a feature of primate lentiviruses, but not all retroviruses, and that IP6 and IP5 is required in the producer but not the target cell for HIV-1 infection.

Abstract Inositol hexakisphosphate (IP6) is an assembly cofactor for HIV-1. We report here that IP6 is also used for assembly of Rous sarcoma virus (RSV), a retrovirus from a different genus. IP6 was ∼100-fold more potent at promoting RSV mature CA assembly than observed for HIV-1 and removal of IP6 in vivo reduced infectivity by 100-fold. By cryo-electron tomography and subtomogram averaging, mature virus-like particles (VLPs) showed an IP6-like density in the CA hexamer, coordinated by rings of six lysines and six arginines. Phosphate and IP6 had opposing effects on CA in vitro assembly, inducing formation of T=1 icosahedrons and tubes, respectively, implying that phosphate promotes pentamer and IP6 hexamer formation. Subtomogram averaging and classification optimized for analysis of pleomorphic retrovirus particles revealed that the heterogeneity of mature RSV CA polyhedrons results from an unexpected, intrinsic CA hexamer flexibility. In contrast, the CA pentamer forms rigid units organizing the local architecture. These different features of hexamers and pentamers determine the structural mechanism to form CA polyhedrons of variable shape in mature RSV particles.