Viral infections kill millions yearly. Available antiviral drugs are virus-specific and active against a limited panel of human pathogens. There are broad-spectrum substances that prevent the first step of virus–cell interaction by mimicking heparan sulfate proteoglycans (HSPG), the highly conserved target of viral attachment ligands (VALs). The reversible binding mechanism prevents their use as a drug, because, upon dilution, the inhibition is lost. Known VALs are made of closely packed repeating units, but the aforementioned substances are able to bind only a few of them. We designed antiviral nanoparticles with long and flexible linkers mimicking HSPG, allowing for effective viral association with a binding that we simulate to be strong and multivalent to the VAL repeating units, generating forces (∼190 pN) that eventually lead to irreversible viral deformation. Virucidal assays, electron microscopy images, and molecular dynamics simulations support the proposed mechanism. These particles show no cytotoxicity, and in vitro nanomolar irreversible activity against herpes simplex virus (HSV), human papilloma virus, respiratory syncytial virus (RSV), dengue and lenti virus. They are active ex vivo in human cervicovaginal histocultures infected by HSV-2 and in vivo in mice infected with RSV. Antiviral nanoparticle-formulated mimics of heparan sulfate proteoglycans were developed and shown to permit strong viral association as well as inhibition of a range of viruses on in vitro and in vivo models of infection.

RSV in 3D Respiratory syncytial virus (RSV) causes pneumonia and bronchiolitis in infants. RSV is an RNA virus in which the genomic RNA forms part of a nuclease-resistant helical ribonucleoprotein complex. Tawar et al. (p. 1279 ) now use x-ray and electron microscopy data to model the structure of this nucleocapsid complex and show how it can template RNA synthesis. The crystal structure shows RNA wrapped around a decameric ring of nucleocapsid protein. Combining this structure with electron microscopy data gives a model that shows how polymerase might read out the RNA bases without disassembling the nucleocapsid helix.

ABSTRACT Lung-resident (LR) mesenchymal stem and stromal cells (MSCs) are key elements of the alveolar niche and fundamental regulators of homeostasis and regeneration. We interrogated their function during virus-induced lung injury using the highly prevalent respiratory syncytial virus (RSV) which causes severe outcomes in infants. We applied complementary approaches with primary pediatric LR-MSCs and a state-of-the-art model of human RSV infection in lamb. Remarkably, RSV-infection of pediatric LR-MSCs led to a robust activation, characterized by a strong antiviral and pro-inflammatory phenotype combined with mediators related to T cell function. In line with this, following in vivo infection, RSV invades and activates LR-MSCs, resulting in the expansion of the pulmonary MSC pool. Moreover, the global transcriptional response of LR-MSCs appears to follow RSV disease, switching from an early antiviral signature to repair mechanisms including differentiation, tissue remodeling, and angiogenesis. These findings demonstrate the involvement of LR-MSCs during virus-mediated acute lung injury and may have therapeutic implications. AUTHOR SUMMARY This work identifies a novel function of lung-resident MSCs during virus-induced acute lung injury. These findings contribute to the understanding of host response and lung repair mechanisms during a highly prevalent clinical situation and may have therapeutic implications.

Throughout the last decades, vaccination has been key to prevent and eradicate infectious diseases. However, many pathogens (e.g. respiratory syncytial virus (RSV), influenza, dengue and others) have resisted vaccine development efforts, largely due to the failure to induce potent antibody responses targeting conserved epitopes. Deep profiling of human B-cells often reveals potent neutralizing antibodies that emerge from natural infection, but these specificities are generally subdominant (i.e., are present in low titers). A major challenge for next-generation vaccines is to overcome established immunodominance hierarchies and focus antibody responses on crucial neutralization epitopes. Here, we show that a computationally designed epitope-focused immunogen presenting a single RSV neutralization epitope elicits superior epitope-specific responses compared to the viral fusion protein. In addition, the epitope-focused immunogen efficiently boosts antibodies targeting the Palivizumab epitope, resulting in enhanced neutralization. Overall, we show that epitope-focused immunogens can boost subdominant neutralizing antibody responses in vivo and reshape established antibody hierarchies.

Abstract Live-Attenuated Vaccines (LAVs) stimulate robust mucosal and cellular responses and have the potential to protect against Respiratory Syncytial Virus (RSV) and Human Metapneumovirus (HMPV), the main etiologic agents of viral bronchiolitis and pneumonia in children. We inserted the RSV-F gene into an HMPV-based LAV (Metavac®) we previously validated for the protection of mice against HMPV challenge, and rescued a replicative recombinant virus (Metavac®-RSV), exposing both RSV- and HMPV-F proteins at the virion surface and expressing them in reconstructed human airway epithelium models. When administered to BALB/c mice by the intranasal route, bivalent Metavac®-RSV demonstrated its capacity to replicate with reduced lung inflammatory score and to protect against both RSV and lethal HMPV challenges in vaccinated mice while inducing strong IgG and broad RSV and HMPV neutralizing antibody responses. Altogether, our results showed the versatility of the Metavac® platform and suggested that Metavac®-RSV is a promising mucosal bivalent LAV candidate to prevent pneumovirus-induced diseases.

Cellular intrinsic immunity, mediated by the expression of an array of interferon-stimulated antiviral genes, is a vital part of host defence. We have previously used a bioinformatic screen to identify two interferon stimulated genes (ISG) with poorly characterised function Interferon-induced protein 44 (IFI44) and interferon-induced protein 44-like (IFI44L), as potentially being important in Respiratory Syncytial Virus (RSV) infection. Using overexpression systems, CRISPR-Cas9-mediated knockout, and a knockout mouse model we investigated the antiviral capability of these genes in the control of RSV replication. Over-expression of IFI44 or IFI44L was sufficient to restrict RSV infection at an early time post infection. Knocking out these genes in mammalian airway epithelial cells increased levels of infection. Both genes express antiproliferative factors that have no effect on RSV attachment but reduce RSV replication in a minigenome assay. The loss of Ifi44 was associated with a more severe infection phenotype in vivo. These studies demonstrate a function for IFI44 and IFI44L in controlling RSV infection.

Abstract Human Respiratory Syncytial Virus (RSV) is a prevalent cause of severe respiratory infections in children and the elderly. The viral genome, enwrapped by the nucleoprotein N into a helical nucleocapsid (NC), is a template for the viral RNA synthesis and a scaffold for the virion assembly. Although the structures of NC filaments representative of the other major families of the Mononegavirales order have been solved, a detailed understanding of the RSV NCs is missing. This cryo-electron microscopy (cryo-EM) analysis highlights the polymorphism of the RSV nucleocapsid-like assemblies. We reveal in particular the non-canonical arrangement of the RSV NC helix, composed of 16 N per asymmetric unit, and the resulting systematic variations in the RNA accessibility. We demonstrate that this unique helical symmetry originates from recurring longitudinal interactions by the C-terminal arm of the RSV N, whose truncation abrogates the inter-turn contacts. We report the cryo-EM structures of the full-length helical NC filaments, double-headed NCs, ring-capped NCs and double-decameric N-RNA rings, as well as those of the alternative assemblies formed by a C-terminally truncated N mutant. In addition, we demonstrate the functional importance of the interface involved in the formation of the double-headed and the ring-capped interactions. We put all these findings in the context of the RSV RNA synthesis machinery and delineate the structural basis for its further investigation.

Abstract An analysis that combined bioinformatics, comparative sequence/structural analysis, and experimental assays has been completed on respiratory syncytial virus (RSV). Both the genomic RNA and its reverse complement were studied using the novel bioinformatics pipeline ScanFold, which predicted 49 regions on RSV RNAs that appear to encode functional secondary structures (based on their unusually stable sequence order). Multiple motifs appear to be conserved between RSV and related virus strains, including one region within the F gene, which had a highly favorable overall prediction metric of a paired secondary structure. This motif was subjected to additional experimental analyses using SHAPE analysis to confirm ScanFold predicted secondary structure. In subsequent analysis, RSV F mRNA transcripts were made by in vitro transcription using T7 polymerase and transcripts which relaxed the predicted secondary structure yielded slightly higher mRNA transcripts and protein expression levels as wildtype F. However, using reverse genetics for comparison of viruses containing wildtype or relaxed F suggested that the predicted secondary structures may be critical for RSV replication in cells. To our knowledge, this is the first study to examine conserved RNA structures across multiple RSV strains and may help identify potential therapeutic targets to inhibit.

De novo protein design has been successful in expanding the natural protein repertoire. However, most de novo proteins lack biological function, presenting a major methodological challenge. In vaccinology, the induction of precise antibody responses remains a cornerstone for next-generation vaccines. Here, we present a novel protein design algorithm, termed TopoBuilder, with which we engineered epitope-focused immunogens displaying complex structural motifs. Both in mice and non-human primates, cocktails of three de novo designed immunogens induced robust neutralizing responses against the respiratory syncytial virus. Furthermore, the immunogens refocused pre-existing antibody responses towards defined neutralization epitopes. Overall, our de novo design approach opens the possibility of targeting specific epitopes for vaccine and therapeutic antibody development, and more generally will be applicable to design de novo proteins displaying complex functional motifs.

Abstract Human Respiratory Syncytial virus (RSV) is the leading cause of infantile bronchiolitis in the developed world and of childhood deaths in resource-poor settings. The elderly and the immunosuppressed are also affected. It is a major unmet target for vaccines and anti-viral drugs. RSV assembles and buds from the host cell plasma membrane by forming infections viral particles which are mostly filamentous. A key interaction during RSV assembly is the interaction of plasma membrane lipids with the Matrix (M) protein layer forming at assembly sites. Although the structure of RSV M protein dimer is known, it is unclear how the viral M proteins interact with certain plasma membrane lipids to promote viral assembly. Here, we demonstrate that M proteins cluster at the plasma membrane by selectively binding with phosphatidylserine (PS). Our in vitro studies suggest that M binds PS lipid as dimers and M mutant with a phosphomimetic substitution inhibits interaction with PS lipids. The presence of other negatively charged lipids like PI(4, 5)P2 does not affect RSV M ability to bind, while cholesterol negatively affects M interaction with lipids. Moreover, we show that the initial binding of the RSV M protein with lipids is independent of the cytoplasmic tail of fusion (F) glycoprotein (FCT). It is the first in vitro study of M interaction with plasma membrane lipids. M binding to plasma membrane may represent a viable therapeutic strategy for small molecules that will block viral spread.