ABSTRACT During cellular invasion, human papillomavirus type 16 (HPV16) must transfer its viral genome (vDNA) across the endosomal membrane prior to its accumulation at nuclear PML bodies for the establishment of infection. After cellular uptake, the capsid likely undergoes pH-dependent disassembly within the endo-/lysosomal compartment, thereby exposing hidden domains in L2 that facilitate membrane penetration of L2/vDNA complexes. In an effort to identify regions of L2 that might physically interact with membranes, we have subjected the L2 sequence to multiple transmembrane (TM) domain prediction algorithms. Here, we describe a conserved TM domain within L2 (residues 45 to 67) and investigate its role in HPV16 infection. In vitro , the predicted TM domain adopts an alpha-helical structure in lipid environments and can function as a real TM domain, although not as efficiently as the bona fide TM domain of PDGFR. An L2 double point mutant renders the TM domain nonfunctional and blocks HPV16 infection by preventing endosomal translocation of vDNA. The TM domain contains three highly conserved GxxxG motifs. These motifs can facilitate homotypic and heterotypic interactions between TM helices, activities that may be important for vDNA translocation. Disruption of some of these GxxxG motifs resulted in noninfectious viruses, indicating a critical role in infection. Using a ToxR-based homo-oligomerization assay, we show a propensity for this TM domain to self-associate in a GxxxG-dependent manner. These data suggest an important role for the self-associating L2 TM domain and the conserved GxxxG motifs in the transfer of vDNA across the endo-/lysosomal membrane.

The human papillomavirus type 16 (HPV16) L2 protein acts as a chaperone to ensure that the viral genome (vDNA) traffics from endosomes to the trans-Golgi network (TGN) and eventually the nucleus, where HPV replication occurs. En route to the nucleus, the L2/vDNA complex must translocate across limiting intracellular membranes. The details of this critical process remain poorly characterized. We have developed a system based on subcellular compartmentalization of the enzyme BirA and its cognate substrate to detect membrane translocation of L2-BirA from incoming virions. We find that L2 translocation requires transport to the TGN and is strictly dependent on entry into mitosis, coinciding with mitotic entry in synchronized cells. Cell cycle arrest causes retention of L2/vDNA at the TGN; only release and progression past G2/M enables translocation across the limiting membrane and subsequent infection. Microscopy of EdU-labeled vDNA reveals a rapid and dramatic shift in vDNA localization during early mitosis. At late G2/early prophase vDNA egresses from the TGN to a pericentriolar location, accumulating there through prometaphase where it begins to associate with condensed chromosomes. By metaphase and throughout anaphase the vDNA is seen bound to the mitotic chromosomes, ensuring distribution into both daughter nuclei. Mutations in a newly defined chromatin binding region of L2 potently blocked translocation, suggesting that translocation is dependent on chromatin binding during prometaphase. This represents the first time a virus has been shown to functionally couple the penetration of limiting membranes to cellular mitosis, explaining in part the tropism of HPV for mitotic basal keratinocytes.

Incoming papillomaviruses (PVs) depend on mitotic nuclear envelope breakdown to gain initial access to the nucleus for viral transcription and replication. In our previous work, we hypothesized that the minor capsid protein L2 of PVs tethers the incoming vDNA to mitotic chromosomes to direct them into the nascent nuclei. To re-evaluate how dynamic L2 recruitment to cellular chromosomes occurs specifically during prometaphase, we developed a quantitative, microscopy-based assay for measuring the degree of chromosome recruitment of L2-EGFP. Analyzing various HPV16 L2 truncation-mutants revealed a central chromosome-binding region (CBR) of 147 amino acids that confers binding to mitotic chromosomes. Specific mutations of conserved motifs (IVAL286AAAA, RR302/5AA, and RTR313EEE) within the CBR interfered with chromosomal binding. Moreover, assembly-competent HPV16 containing the chromosome-binding deficient L2(RTR313EEE) or L2(IVAL286AAAA) were inhibited for infection despite their ability to be transported to intracellular compartments. Since vDNA and L2 were not associated with mitotic chromosomes either, the infectivity was likely impaired by a defect in tethering of the vDNA to mitotic chromosomes. However, L2 mutations that abrogated chromatin association also compromised translocation of L2 across membranes of intracellular organelles. Thus, chromatin recruitment of L2 may in itself be a requirement for successful penetration of the limiting membrane thereby linking both processes mechanistically. Furthermore, we demonstrate that the association of L2 with mitotic chromosomes is conserved among the alpha, beta, gamma, and iota genera of Papillomaviridae. However, different binding patterns point to a certain variance amongst the different genera. Overall, our data suggest a common strategy among various PVs, in which a central region of L2 mediates tethering of vDNA to mitotic chromosomes during cell division thereby coordinating membrane translocation and delivery to daughter nuclei.

ABSTRACT Cell invasion by human papillomavirus type 16 (HPV16) is a complex process relying on multiple host cell factors. Here we describe an investigation into the role of cellular protein disulfide isomerases (PDIs) by studying the effects of the commonly used PDI inhibitor bacitracin on HPV16 infection. Bacitracin caused an unusual time-dependent opposing effect on viral infection. Enhanced cellular binding and entry were observed at early times of infection, while inhibition was observed at later times postentry. Bacitracin was rapidly taken up by host cells and colocalized with HPV16 at late times of infection. Bacitracin had no deleterious effect on HPV16 entry, capsid disassembly, exposure of L1/L2 epitopes, or lysosomal trafficking but caused a stark inhibition of L2/viral DNA (vDNA) endosomal penetration and accumulation at nuclear PML bodies. γ-Secretase has recently been implicated in the endosomal penetration of L2/vDNA, but bacitracin had no effect on γ-secretase activity, indicating that blockage of this step occurs through a γ-secretase-independent mechanism. Transient treatment with the reductant β-mercaptoethanol (β-ME) was able to partially rescue the virus from bacitracin, suggesting the involvement of a cellular reductase activity in HPV16 infection. Small interfering RNA (siRNA) knockdown of cellular PDI and the related PDI family members ERp57 and ERp72 reveals a potential role for PDI and ERp72 in HPV infection.

ABSTRACT Despite an abundance of evidence supporting an important role for the cleavage of minor capsid protein L2 by cellular furin, direct cleavage of capsid-associated L2 during human papillomavirus 16 (HPV16) infection remains poorly characterized. The conserved cleavage site, close to the L2 N terminus, confounds observation and quantification of the small cleavage product by SDS-PAGE. To overcome this difficulty, we increased the size shift by fusing a compact protein domain, the Propionibacterium shermanii transcarboxylase domain (PSTCD), to the N terminus of L2. The infectious PSTCD-L2 virus displayed an appreciable L2 size shift during infection of HaCaT keratinocytes. Cleavage under standard cell culture conditions rarely exceeded 35% of total L2. Cleavage levels were enhanced by the addition of exogenous furin, and the absolute levels of infection correlated to the level of L2 cleavage. Cleavage occurred on both the HaCaT cell surface and extracellular matrix (ECM). Contrary to current models, experiments on the involvement of cyclophilins revealed little, if any, role for these cellular enzymes in the modulation of furin cleavage. HPV16 L2 contains two consensus cleavage sites, Arg5 ( 2 RHKR 5 ) and Arg12 ( 9 RTKR 12 ). Mutant PSTCD-L2 viruses demonstrated that although furin can cleave either site, cleavage must occur at Arg12, as cleavage at Arg5 alone is insufficient for successful infection. Mutation of the conserved cysteine residues revealed that the Cys22-Cys28 disulfide bridge is not required for cleavage. The PSTCD-L2 virus or similar N-terminal fusions will be valuable tools to study additional cellular and viral determinants of furin cleavage. IMPORTANCE Furin cleavage of minor capsid protein L2 during papillomavirus infection has been difficult to directly visualize and quantify, confounding efforts to study this important step of HPV infection. Fusion of a small protein domain to the N terminus greatly facilitates direct visualization of the cleavage product, revealing important characteristics of this critical process. Contrary to the current model, we found that cleavage is largely independent of cyclophilins, suggesting that cyclophilins act either in parallel to or downstream of furin to trigger exposure of a conserved N-terminal L2 epitope (RG-1) during infection. Based on this finding, we strongly caution against using L2 RG-1 epitope exposure as a convenient but indirect proxy of furin cleavage.

Human papillomavirus (HPV) is the most common sexually transmitted pathogen in the United States, causing 99% of cervical cancers and 5% of all human cancers worldwide. HPV infection requires transport of the viral genome (vDNA) into the nucleus of basal keratinocytes. During this process, minor capsid protein L2 facilitates subcellular retrograde trafficking of the vDNA from endosomes to the Golgi, and accumulation at host chromosomes during mitosis for nuclear retention and localization during interphase. Here we investigated the relationship between cellular glutathione (GSH) and HPV16 infection. siRNA knockdown of GSH biosynthetic enzymes results in a partial decrease of HPV16 infection. Likewise, infection of HPV16 in GSH depleted keratinocytes is inefficient, an effect that was not seen with adenoviral vectors. Analysis of trafficking revealed no defects in cellular binding, entry, furin cleavage of L2, or retrograde trafficking of HPV16, but GSH depletion hindered post-Golgi trafficking and translocation, decreasing nuclear accumulation of vDNA. Although precise mechanisms have yet to be defined, this work suggests that GSH is required for a specific post-Golgi trafficking step in HPV16 infection.

Abstract Human papillomavirus (HPV) is the most common sexually transmitted pathogen in the United States, causing 99% of cervical cancers and 5% of all human cancers worldwide. HPV infection requires transport of the viral genome (vDNA) into the nucleus of basal keratinocytes. During this process, minor capsid protein L2 facilitates subcellular retrograde trafficking of the vDNA from endosomes to the Golgi, and accumulation at host chromosomes during mitosis for nuclear retention and localization during interphase. Here we investigated the relationship between cytosolic GSH and HPV16 infection. siRNA knockdown of GSH biosynthetic enzymes results in a partial decrease of HPV16 infection. Likewise, infection of HPV16 in GSH depleted keratinocytes is inefficient, an effect that was not seen with adenoviral vectors. Analysis of trafficking revealed no defects in cellular binding, entry, furin cleavage of L2, or retrograde trafficking of HPV16, but GSH depletion hindered post-Golgi trafficking and translocation, decreasing nuclear accumulation of vDNA. Although precise mechanisms have yet to be defined, this work suggests that GSH is required for a specific post-Golgi trafficking step in HPV16 infection.

8539 Background: The classification of tumors as inflamed, excluded or desert based on spatial patterns of tumor infiltrating lymphocytes (TILs) is a potential biomarker of patients likely to respond to checkpoint inhibitors (CPI). However, the subjectivity of manual methods to assess these immune phenotypes (IPs) and poor standardization in the methods and thresholds to define IPs have hampered their clinical adoption. Here, we describe a data-driven approach to inform IP threshold selection on hematoxylin and eosin (H&E)-stained whole slide images (WSI) by maximizing differences in overall survival (OS) between IPs. Methods: A model to classify the IPs of NSCLC samples from H&E images was developed using PathExplore models applied to a TCGA non-small cell lung cancer (NSCLC) cohort of LUAD (N=459) and LUSC (N=424). TIL densities were extracted within cancer and stroma for 0.01 mm2 patches tiled across each WSI. Cut-offs to define cancer and stroma patches as hot or cold were defined based on the 75th and 50th percentiles, respectively, of cancer TIL (cTIL) densities (386 cTIL/mm2) and stroma TIL (sTIL) densities (423 sTIL/mm2) in a TCGA cohort of 4,082 H&E-stained WSI from 10 epithelial tumor types. Hierarchical fitting yielded optimal thresholds minimizing the p-values of OS differences between IPs, leading to classifications of inflamed (iIP, >40% cancer hot patches), excluded (eIP, ≤40% cancer hot patches; >45% stromal hot patches) and desert (dIP, ≤40% cancer hot patches; ≤45% stromal hot patches). The model was then deployed in a clinical cohort of PD-(L)1 inhibitor-treated NSCLC patients (N=95) enrolled in the BIP precision medicine study (NCT02534649; Institut Bergonié, Bordeaux, France). Model-predicted IPs were compared to progression-free survival (PFS) and OS. FDR correction was done with Benjamini-Hochberg. Results: In the TCGA NSCLC cohort, model-predicted iIP (N=196) and eIP (N=607) patients had significantly better OS compared to dIP (N=80; HR=0.53, p=0.003 and HR=0.59, p=0.003, respectively). In the clinical cohort, cTIL density and fraction of hot epithelial patches were significantly associated with PFS (HR=0.64, q=0.04 and HR=0.69, q=0.04, respectively). PFS was significantly shorter in model-predicted eIP patients (N=46) compared to iIP (N=39; HR=0.54, p=0.045). Notably, in PD-L1(-) patients (N=43, tumor proportion score ≤1%), iIP patients had longer PFS than eIP and dIP patients (HR=0.35, p=0.02). No difference in PFS was observed for PD-L1(+) patients. Conclusions: We developed a data-driven approach for predicting IPs using patch-level TIL features. Model-predicted IPs were prognostic in a TCGA NSCLC dataset and predictive of PFS in a CPI- treated clinical NSCLC cohort. Association of IP and PFS was independent of PD-L1 status, potentially allowing the identification of PD-L1(-) patients who may derive greater benefit from CPI.