Background A chikungunya virus outbreak of unprecedented magnitude is currently ongoing in Indian Ocean territories. In Réunion Island, this alphavirus has already infected about one-third of the human population. The main clinical symptom of the disease is a painful and invalidating poly-arthralgia. Besides the arthralgic form, 123 patients with a confirmed chikungunya infection have developed severe clinical signs, i.e., neurological signs or fulminant hepatitis. Methods and Findings We report the nearly complete genome sequence of six selected viral isolates (isolated from five sera and one cerebrospinal fluid), along with partial sequences of glycoprotein E1 from a total of 127 patients from Réunion, Seychelles, Mauritius, Madagascar, and Mayotte islands. Our results indicate that the outbreak was initiated by a strain related to East-African isolates, from which viral variants have evolved following a traceable microevolution history. Unique molecular features of the outbreak isolates were identified. Notably, in the region coding for the non-structural proteins, ten amino acid changes were found, four of which were located in alphavirus-conserved positions of nsP2 (which contains helicase, protease, and RNA triphosphatase activities) and of the polymerase nsP4. The sole isolate obtained from the cerebrospinal fluid showed unique changes in nsP1 (T301I), nsP2 (Y642N), and nsP3 (E460 deletion), not obtained from isolates from sera. In the structural proteins region, two noteworthy changes (A226V and D284E) were observed in the membrane fusion glycoprotein E1. Homology 3D modelling allowed mapping of these two changes to regions that are important for membrane fusion and virion assembly. Change E1-A226V was absent in the initial strains but was observed in >90% of subsequent viral sequences from Réunion, denoting evolutionary success possibly due to adaptation to the mosquito vector. Conclusions The unique molecular features of the analyzed Indian Ocean isolates of chikungunya virus demonstrate their high evolutionary potential and suggest possible clues for understanding the atypical magnitude and virulence of this outbreak.

Zika virus is a member of the Flavivirus genus that had not been associated with severe disease in humans until the recent outbreaks, when it was linked to microcephaly in newborns in Brazil and to Guillain–Barré syndrome in adults in French Polynesia. Zika virus is related to dengue virus, and here we report that a subset of antibodies targeting a conformational epitope isolated from patients with dengue virus also potently neutralize Zika virus. The crystal structure of two of these antibodies in complex with the envelope protein of Zika virus reveals the details of a conserved epitope, which is also the site of interaction of the envelope protein dimer with the precursor membrane (prM) protein during virus maturation. Comparison of the Zika and dengue virus immunocomplexes provides a lead for rational, epitope-focused design of a universal vaccine capable of eliciting potent cross-neutralizing antibodies to protect simultaneously against both Zika and dengue virus infections. Monoclonal antibodies isolated from patients with dengue virus infection also bind to the Zika virus E protein and neutralize both Zika and dengue virus infection; the structures of two of these antibodies in complex with the Zika virus envelope protein define the binding determinants of the epitope and identify the structural basis of antibody cross neutralization. Félix Rey and colleagues show that a subset of monoclonal antibodies generated from patients with dengue virus infection bind to the Zika virus E protein — a Flavivirus envelope glycoprotein facilitating virus entry — and inhibit Zika infection. Structural data from these two antibodies in complex with the Zika virus envelope define the extent, composition and chemical landscape of the neutralizing epitope and identify the structural basis for antibody cross-reactivity. This work suggests Zika and dengue virus immunocomplexes as a lead for the design of a universal vaccine capable of eliciting potent cross-neutralizing antibodies to protect against both pathogens.

Human antibodies in complex with the soluble dimeric form of the dengue virus envelope protein E recognize a quaternary epitope and exhibit strong neutralizing activity against all four virus serotypes. The recent identification of a major class of broadly neutralizing human antibodies potently neutralizing all four dengue virus serotypes has raised the prospect that it may be possible to design a vaccine to provide protection against severe forms of the disease. Alexander Rouvinski et al. report the X-ray crystal structures of four of these antibodies in complex with the soluble dimeric form of the dengue virus envelope protein E. The antibodies recognize a quaternary epitope and exhibit strong neutralizing activity against all four virus subtypes. Dengue disease is caused by four different flavivirus1 serotypes, which infect 390 million people yearly with 25% symptomatic cases2 and for which no licensed vaccine is available. Recent phase III vaccine trials showed partial protection, and in particular no protection for dengue virus serotype 2 (refs 3, 4). Structural studies so far have characterized only epitopes recognized by serotype-specific human antibodies5,6. We recently isolated human antibodies potently neutralizing all four dengue virus serotypes7. Here we describe the X-ray structures of four of these broadly neutralizing antibodies in complex with the envelope glycoprotein E from dengue virus serotype 2, revealing that the recognition determinants are at a serotype-invariant site at the E-dimer interface, including the exposed main chain of the E fusion loop8 and the two conserved glycan chains. This ‘E-dimer-dependent epitope’ is also the binding site for the viral glycoprotein prM during virus maturation in the secretory pathway of the infected cell9, explaining its conservation across serotypes and highlighting an Achilles’ heel of the virus with respect to antibody neutralization. These findings will be instrumental for devising novel immunogens to protect simultaneously against all four serotypes of dengue virus.

ABSTRACT Flavivirus particles bud in the ER of infected cells as immature virions composed of 180 heterodimers of glycoproteins prM and E, associated as 60 (prM/E) 3 trimeric spikes. Exposure to the mildly acidic pH of the TGN results in dissociation of the trimeric spikes followed by reassociation of the prM/E protomers into 90 dimers organized in a characteristic herringbone pattern. The furin site in prM is exposed in the dimers for maturation of prM into M and pr. For flaviviruses such as the tick-borne encephalitis virus (TBEV) as well as for dengue virus, it was shown that at neutral pH pr loses affinity for E, such that it dissociates from the mature particle as soon as it reaches the external milieu, which is at neutral pH. Using a soluble recombinant form of E (sE) and pr from yellow fever virus (YFV), we show here that the affinity of pr for recombinant E protein remains high even at neutral pH. The X-ray structure of YFV pr/sE shows more extensive inter-chain hydrogen bonding than does the dengue or TBEV, and also that it retains the charge complementarity between the interacting surfaces of the two proteins even at neutral pH. We further show that pr blocks sE flotation with liposomes when exposed at low pH at a 1:1 stoichiometry, yet in the context of the virus particle, an excess of 10:1 pr:E ratio is required to block virus/liposome fusion. In aggregate, our results show that the paradigm obtained from earlier studies of other flaviviruses does not apply to yellow fever virus, the flavivirus type species. A mechanism that does not rely solely in a change in the environmental pH is thus required for the release of pr from the mature particles upon release from infected cells. These results open up new avenues to understand the activation mechanism that yields mature, infectious YFV particles.