Gene delivery vectors based on Adenoviral (Ad) vectors have enormous potential for the treatment of both hereditary and acquired disease. Detailed structural analysis of the Ad virion, combined with functional studies has broadened our knowledge of the structure/function relationships between Ad vectors and host cells/tissues and substantial achievement has been made towards a thorough understanding of the biology of Ad vectors. The widespread use of Ad vectors for clinical gene therapy is compromised by their inherent immunogenicity. The generation of safer and more effective Ad vectors, targeted to the site of disease, has therefore become a great ambition in the field of Ad vector development. This review provides a synopsis of the structure/function relationships between Ad vectors and host systems and summarizes the many innovative approaches towards achieving Ad vector targeting.

The human papillomavirus ( HPV ) L 2 capsid protein plays an essential role during the early stages of viral infection, but the molecular mechanisms underlying its mode of action remain obscure. Using a proteomic approach, we have identified the adaptor protein, sorting nexin 17 ( SNX 17) as a strong interacting partner of HPV L 2. This interaction occurs through a highly conserved SNX 17 consensus binding motif, which is present in the majority of HPV L 2 proteins analysed. Using mutants of L 2 defective for SNX 17 interaction, or siRNA ablation of SNX 17 expression, we demonstrate that the interaction between L 2 and SNX 17 is essential for viral infection. Furthermore, loss of the L 2– SNX 17 interaction results in enhanced turnover of the L 2 protein and decreased stability of the viral capsids, and concomitantly, there is a dramatic decrease in the efficiency with which viral genomes transit to the nucleus. Indeed, using a range of endosomal and lysosomal markers, we show that capsids defective in their capacity to bind SNX 17 transit much more rapidly to the lysosomal compartment. These results demonstrate that the L 2– SNX 17 interaction is essential for viral infection and facilitates the escape of the L 2– DNA complex from the late endosomal/lysosomal compartments.

Papillomaviruses are species-specific and epitheliotropic DNA viruses that cause tumors in their natural hosts. Certain infections with genital human papillomavirus (HPV) types are causally related to cervical cancer development. Most papillomaviruses are thought to infect cells via a clathrin-dependent pathway, yet no studies have determined the entry route in permissive host epithelial cells. Employing fluorescently labeled and native virions, we tested the effects of dominant-negative and biochemical inhibitors of cellular endocytosis pathways. Infections of human keratinocytes, a natural host cell type for HPVs, were assessed visually and by infectious entry assays. We found that HPV type 31 (HPV31) entry and initiation of early infection events require both caveolin 1 and dynamin 2 and occur independently of clathrin-mediated endocytosis. Treatment with chlorpromazine and filipin had opposing effects on HPV31 and HPV16 infection. HPV31 entry was remarkably slow, with a half-time of approximately 14 h, whereas the entry half-time of HPV16 was 4 h. Consistent with a caveola-mediated entry pathway for HPV31, the virions associated with detergent-resistant lipid rafts. During a 16-h microscopic tracking of HPV31 and HPV16 virions, no colocalization of the two viral types was observed. These data suggest that HPV31 and HPV16 virions use distinct routes for host epithelial cell entry.

High-risk human papillomaviruses (HPVs) are small nonenveloped DNA viruses with a strict tropism for squamous epithelium. The viruses are causative agents of cervical cancer and some head and neck cancers, but their differentiation-dependent life cycles have made them difficult to study in simple cell culture. Thus, many aspects of early HPV infection remain mysterious. We recently showed the high-risk HPV type 31 (HPV31) enters its natural host cell type via caveola-dependent endocytosis, a distinct mechanism from that of the closely related HPV16 (Smith et al., J. Virol. 81:9922-9931, 2007). Here, we determined the downstream trafficking events after caveolar entry of HPV31 into human keratinocytes. After initial plasma membrane binding, HPV31 associates with caveolin-1 and transiently localizes to the caveosome before trafficking to the early endosome and proceeding through the endosomal pathway. Caveosome-to-endosome transport was found to be Rab5 GTPase dependent. Although HPV31 capsids were observed in the lysosome, Rab7 GTPase was dispensable for HPV31 infection, suggesting that viral genomes escape from the endosomal pathway prior to Rab7-mediated capsid transport. Consistent with this, the acidic pH encountered by HPV31 within the early endosomal pathway induces a conformational change in the capsid resulting in increased DNase susceptibility of the viral genome, which likely aids in uncoating and/or endosomal escape. The entry and trafficking route of HPV31 into human keratinocytes represents a unique viral pathway by which the virions use caveolar entry to eventually access a low-pH site that appears to facilitate endosomal escape of genomes.

Development of cell-targeting vectors is an important focus for gene therapy. While some ligands can be genetically inserted into virus capsid proteins for cell targeting, for many ligands, this approach can disrupt either ligand function or vector function. To address this problem for adenovirus type 5 vectors, the fiber capsid protein was genetically fused to a biotin acceptor peptide (BAP). Adenovirus particles bearing this BAP were metabolically biotinylated during vector production by the endogenous biotin ligase in 293 cells to produce covalently biotinylated virions. The resulting biotinylated vector could be retargeted to new receptors by conjugation to biotinylated antibodies using tetrameric avidin (K(d) = 10(-15) M). The biotinylated vector could also be purified by biotin-reversible binding on monomeric avidin (K(d) = 10(-7) M). Finally, this vector was used as a ligand screening platform for dendritic cells in which a variety of structurally diverse protein, carbohydrate, and nucleic acid ligands were easily added to the vector using the biotin-avidin interaction. This work demonstrates the utility of metabolically biotinylated viruses for ligand screening, vector targeting, and virus purification applications.

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.

While genetic modification of adenoviral vectors can produce vectors with modified tropism, incorporation of targeting peptides/proteins into the structural context of the virion can also result in destruction of ligand targeting or virion integrity. To combat this problem, we have developed a versatile targeting system using metabolically biotinylated adenoviral vectors bearing biotinylated fiber proteins. These vectors have been demonstrated to be useful as a platform for avidin-based ligand screening and vector targeting by conjugating biotinylated ligands to the virus using high-affinity tetrameric avidin (K(d) = 10(-15) M). The biotinylated vector could also be purified by biotin-reversible binding on monomeric avidin (K(d) = 10(-7) M). In this report, a second metabolically biotinylated adenovirus vector, Ad-IX-BAP, has been engineered by fusing a biotin acceptor peptide (BAP) to the C-terminus of the adenovirus pIX protein. This biotinylated vector displays twice as many biotins and was markedly superior for single-step affinity purification on monomeric avidin resin. However, unlike the fiber-biotinylated vector, Ad-IX-BAP failed to retarget to cells with biotinylated antibodies including anti-CD71 against the transferrin receptor. In contrast, Ad-IX-BAP was retargeted if transferrin, the cognate ligand for CD71, was used as a ligand rather than the anti-CD71. This work demonstrates the utility of metabolic biotinylation as a molecular screening tool to assess the utility of different viral capsid proteins for ligand display and the biology and compatibility of different ligands and receptors for vector targeting applications. These results also demonstrate the utility of the pIX-biotinylated vector as a platform for gentle single-step affinity purification of adenoviral vectors.

Unrelated individuals can produce genetically similar clones of antibodies, known as public clonotypes, which have been seen in responses to different infectious diseases, as well as healthy individuals. Here we identify 37 public clonotypes in memory B cells from convalescent survivors of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection or in plasmablasts from an individual after vaccination with mRNA-encoded spike protein. We identify 29 public clonotypes, including clones recognizing the receptor-binding domain (RBD) in the spike protein S1 subunit (including a neutralizing, angiotensin-converting enzyme 2 [ACE2]-blocking clone that protects in vivo) and others recognizing non-RBD epitopes that bind the S2 domain. Germline-revertant forms of some public clonotypes bind efficiently to spike protein, suggesting these common germline-encoded antibodies are preconfigured for avid recognition. Identification of large numbers of public clonotypes provides insight into the molecular basis of efficacy of SARS-CoV-2 vaccines and sheds light on the immune pressures driving the selection of common viral escape mutants.

The direct genetic modification of adenoviral capsid proteins with new ligands is an attractive means to confer targeted tropism to adenoviral vectors. Although several capsid proteins have been reported to tolerate the genetic fusion of foreign peptides and proteins, direct comparison of cell targeting efficiencies through the different capsomeres has been lacking. Likewise, direct comparison of with one or multiple ligands has not been performed due to a lack of capsid-compatible ligands available for retargeting. Here we utilize a panel of metabolically biotinylated Ad vectors to directly compare targeted transduction through the fiber, protein IX, and hexon capsomeres using a variety of biotinylated ligands including antibodies, transferrin, EGF, and cholera toxin B. These results clearly demonstrate that cell targeting with a variety of high affinity receptor-binding ligands is only effective when transduction is redirected through the fiber protein. In contrast, protein IX and hexon-mediated targeting by the same set of ligands failed to mediate robust vector targeting, perhaps due to aberrant trafficking at the cell surface or inside targeted cells. These data suggest that vector targeting by genetic incorporation of high affinity ligands will likely be most efficient through modification of the adenovirus fiber rather than the protein IX and hexon capsomeres. In contrast, single-step monomeric avidin affinity purification of Ad vectors using the metabolic biotinylation system is most effective through capsomeres like protein IX and hexon.

Background Minor capsid protein L2 performs an indispensable but uncharacterized role in human papillomavirus infections. A neutralizing B cell epitope has recently been mapped to the N-terminus of HPV16 L2, residues 17–36, and exposure of this region of L2 has been implicated in translocation of incoming virions from the endo/lysosomal compartment to the cellular cytoplasm. Here we examine the redox state of Cys22 and Cys28 two highly conserved cysteines located within this epitope. We also investigate the infectivity of virions containing L2 single and double cysteine point mutants. Methodology and Principal Findings Denaturing/non-reducing gel analysis and thiol labeling experiments of wild type and cysteine mutant HPV16 virion particles strongly support the existence of a buried intramolecular C22–C28 disulfide bond. The disulfide was confirmed by tandem mass spectrometry of L2 protein from non-reduced virions. Single C22S and C28S and the double C22/28S mutants were non-infectious but had no apparent defects in cell binding, endocytosis, or trafficking to lysosomes by 8 h post infection. During infection with L2 mutant particles, there was a marked decrease in L2 levels compared to wild type L2-containing virions, suggesting a failure of mutant L2/genome complexes to exit the endo/lysosomal compartment. Conclusions and Significance L2 residues C22 and C28 are bound as an intramolecular disulfide bond in HPV16 virions and are necessary for infectivity. Previous work has suggested that the furin-dependent exposure of the 17–36 epitope and subsequent interaction of this region with an unknown receptor is necessary for egress from the endo/lysosomal compartment and infection. Identification of the C22–C28 disulfide suggests that reduction of this disufide bond may be necessary for exposure of 17–36 and HPV16 infection.