Virus binding serves to define virus tropism and species specificity 1 . Virus binding proteins are classically considered as facilitators of cell surface attachment prior to receptor engagement and virus internalization. For efficient entry vaccinia virus (VACV) – the prototypic poxvirus - relies on four binding proteins and an eleven-protein entry fusion complex (EFC) 2 . We recently demonstrated that VACV binding and fusion proteins are organized into distinct functional domains, with localization of EFC proteins to virion tips directly influencing membrane fusion activity 3 . However, the relationship between virus binding protein distribution, virion binding orientation and subsequent membrane fusion remain unexplored. Here, we show that virus binding proteins guide side-on virion binding and promote curvature of the host membrane towards EFC-containing virion tips to facilitate virus fusion. Using a cell-derived membrane-bleb model system together with super-resolution and electron microscopy we found that side-bound VACV virions induce membrane invagination in the presence of low pH. Repression or deletion of individual binding proteins revealed that three of four contribute to binding orientation, amongst which the chondroitin sulphate binding protein, D8, is required for host membrane bending. Consistent with low-pH dependent macropinocytic entry of vaccinia virus 4,5 , loss of D8 prevents virion-associated macropinosome membrane bending, disrupts fusion pore formation and infection kinetics. Our results extend the role of viral binding proteins from mere attachment factors to active participants in successful viral membrane fusion and further illustrate the influence of virus protein architecture on successful infection.

ABSTRACT Cytosolic long double-stranded RNA (dsRNA), among the most potent proinflammatory signals, is recognized by MDA5. MDA5 binds dsRNA cooperatively, forming helical filaments. ATP hydrolysis by MDA5 fulfills a proofreading function by promoting dissociation of shorter endogenous dsRNAs from MDA5 while allowing longer viral dsRNAs to remain bound leading to activation of interferon-β responses. Here, we show that adjacent MDA5 subunits in MDA5-dsRNA filaments hydrolyze ATP cooperatively, inducing cooperative filament disassembly. This amplifies the RNA footprint expansion that accompanies each round of ATP hydrolysis and allows MDA5 to displace tightly bound proteins from dsRNA. Our electron microscopy and biochemical assays show that LGP2 binds to dsRNA at internal binding sites through noncooperative ATP hydrolysis. Unlike MDA5, LGP2 has low nucleic acid selectivity and can hydrolyze GTP and CTP as well as ATP. Binding of LGP2 to dsRNA promotes nucleation of MDA5 filament assembly resulting in shorter filaments. Molecular modeling of the MDA5-LGP2 interface suggests that MDA5 interacts with dsRNA stem-bound rather than end-bound LGP2. We conclude that NTPase-dependent binding of LGP2 to internal sites on dsRNA increases the number and signaling output of MDA5-dsRNA complexes. Our work identifies novel molecular mechanisms contributing the selectivity and sensitivity of cytosolic dsRNA sensing. KEY POINTS Cooperative ATP hydrolysis in MDA5 filaments confers selectivity for dsRNA and displaces other proteins from RNA Noncooperative NTP hydrolysis by LGP2 induces binding to internal RNA sites with low selectivity RNA stem-bound LGP2 nucleates assembly of MDA5 signaling complexes on a broader set of RNA ligands

Abstract NLRP3 induces caspase-1-dependent pyroptotic cell death to drive inflammation. Aberrant activity of NLRP3 occurs in many human diseases. NLRP3 activation induces ASC polymerization into a single, micron-scale perinuclear punctum. Higher resolution imaging of this signaling platform is needed to understand how it induces pyroptosis. Here, we apply correlative cryo-light microscopy and cryo-electron tomography to visualize ASC/caspase-1 in NLRP3-activated cells. The puncta are composed of branched ASC filaments, with a tubular core formed by the pyrin domain. Ribosomes and Golgi-like vesicles permeate the filament network, consistent with roles for these organelles in NLRP3 activation. Mitochondria are not associated with ASC but have outer-membrane discontinuities the same size as gasdermin D pores, consistent with our data showing gasdermin D associates with mitochondria and contributes to mitochondrial depolarization. One-Sentence Summary Electron tomography of frozen cells reveals the ultrastructure of ASC specks and gasdermin D pores in adjacent mitochondria.