A library of overlapping cDNAs obtained from Norwalk virus purified from stools of human volunteers (Jiang et al., 1990, Science 250, 1580-1583) was used to obtain the nucleotide sequence of the viral genome. The sequence has a total of 7642 nucleotides, excluding the 3′ poly(A) tail, and has a base composition of 48% G + C. Three open reading frames (ORF) are predicted in the sequence. The longest ORF (ORF1, nucleotides (nt) 146 to 5359) is predicted to encode a polyprotein precursor to nonstructural proteins based on identification of sequences similar to the picornavirus 2C protein, 3C protease, and 3D RNA-dependent RNA polymerase. ORF2 (nt 5346 to 6935) is predicted to encode a polypeptide with a predicted molecular weight of 56,571 (56.6K, close to the expected size of the viral capsid protein), and it contains a short region of sequence similarity to the picornavirus structural protein VP3. A third potential ORF (nt 6938 to 7573) could encode a small polypeptide of 22.5K. The genomic organization found in Norwalk virus shares striking similarities with the genome of two caliciviruses, the feline calicivirus and the rabbit hemorrhagio disease virus. The morphology, size, polarity, and genomic organization of the Norwalk virus indicate it is a member of the Caliciviridae family.

Major epidemic outbreaks of acute gastroenteritis result from infections with Norwalk or Norwalk-like viruses. Virus purified from stool specimens of volunteers experimentally infected with Norwalk virus was used to construct recombinant complementary DNA (cDNA) and derive clones representing most of the viral genome. The specificity of the clones was shown by their hybridization with post- (but not pre-) infection stool samples from volunteers infected with Norwalk virus and with purified Norwalk virus. A correlation was observed between the appearance of hybridization signals in stool samples and clinical symptoms of acute gastroenteritis in volunteers. Hybridization assays between overlapping clones, restriction enzyme analyses, and partial nucleotide sequence information of the clones indicated that Norwalk virus contains a single-stranded RNA genome of positive sense, with a polyadenylated tail at the 3′ end and a size of at least 7.5 kilobases. A consensus amino acid sequence motif typical of viral RNA-dependent RNA polymerases was identified in one of the Norwalk virus clones. The availability of Norwalk-specific cDNA and the new sequence information of the viral genome should permit the development of sensitive diagnostic assays and studies of the molecular biology of the virus.

Background & Aims: Norwalk Virus (NV) is a member of the Caliciviridae family, which causes acute epidemic gastroenteritis in humans of all ages and its cellular receptors have not yet been characterized. Another calicivirus, Rabbit Hemorrhagic Disease Virus, attaches to H type 2 histo-blood group oligosaccharide present on rabbit epithelial cells. Our aim was to test if, by analogy, recombinant NV-like particles (rNV VLPs) use carbohydrates present on human gastroduodenal epithelial cells as ligands. Methods: Attachment of rNV VLPs was tested on tissue sections of the gastroduodenal junction and on saliva from individuals of known ABO, Lewis, and secretor phenotypes. It was also tested on human Caco-2 cells and on animal cell lines transfected with glycosyltransferases complementary DNA (cDNA). Competition experiments were performed with synthetic oligosaccharides and anticarbohydrate antibodies. Internalization was monitored by confocal microscopy. Results: Attachment of rNV VLPs to surface epithelial cells of the gastroduodenal junction as well as to saliva was detected, yet only from secretor donors. It was abolished by α1,2fucosidase treatment, and by competition with the H types 1 and 3 trisaccharides or with anti-H type 1 and anti-H types¾ antibodies. Transfection of CHO and TS/A cells with an α1,2fucosyltransferase cDNA allowed attachment of VLPs. These transfectants as well as differentiated Caco-2 cells expressing H type 1 structures internalized the bound particles. Conclusions: rNV VLPs use H type 1 and/or H types¾ as ligands on gastroduodenal epithelial cells of secretor individuals.GASTROENTEROLOGY 2002;122:1967-1977

Abstract

Objective

 To determine the association between maternal milk levels of 2-linked fucosylated oligosaccharide and prevention of diarrhea as a result of Campylobacter, caliciviruses, and diarrhea of all causes in breast-fed infants. 

Study design

 Data and banked samples were analyzed from 93 breast-feeding mother-infant pairs who were prospectively studied during 1988-1991 from birth to 2 years with infant feeding and diarrhea data collected weekly; diarrhea was diagnosed by a study physician. Milk samples obtained 1 to 5 weeks postpartum were analyzed for oligosaccharide content. Data were analyzed by Poisson regression. 

Results

 Total 2-linked fucosyloligosaccharide in maternal milk ranged from 0.8 to 20.8 mmol/L (50%-92% of milk oligosaccharide). Moderate-to-severe diarrhea of all causes (n=77 cases) occurred less often (P=.001) in infants whose milk contained high levels of total 2-linked fucosyloligosaccharide as a percent of milk oligosaccharide. Campylobacter diarrhea (n=31 cases) occurred less often (P=.004) in infants whose mother's milk contained high levels of 2′-FL, a specific 2-linked fucosyloligosaccharide, and calicivirus diarrhea (n=16 cases) occurred less often (P=.012) in infants whose mother's milk contained high levels of lacto-N-difucohexaose (LDFH-I), another 2-linked fucosyloligosaccharide. 

Conclusion

 This study provides novel evidence suggesting that human milk oligosaccharides are clinically relevant to protection against infant diarrhea.

We characterized the binding of 8 Noroviruses (NORs) to histo-blood group antigens (HBGAs) in human saliva using recombinant NOR (rNOR) capsid proteins. Among the 8 rNORs tested, 6 formed viruslike particles (VLPs) when the capsid proteins were expressed in insect cells, all of which revealed variable binding activities with saliva; the remaining 2 rNORs did not form VLPs, and the proteins did not bind, or bound weakly, to saliva. Four distinct binding patterns were associated with different histo-blood types, defined by Lewis, secretor, and ABO types. Three patterns (VA387, NV, and MOH) recognized secretors, and 1 pattern (VA207) recognized Lewis-positive nonsecretors. The 3 secretor-recognizing patterns were defined as A/B (MOH), A/O (NV), and A/B/O (VA387) binders. Oligosaccharides containing the Lewis and ABH antigenic epitopes were involved in binding. Our findings suggest that different strains of NORs may recognize different human HBGAs on intestinal epithelial cells as receptors for infection.

ABSTRACT Noroviruses, an important cause of acute gastroenteritis, have been found to recognize human histo-blood group antigens (HBGAs) as receptors. Four strain-specific binding patterns to HBGAs have been described in our previous report. In this study, we have extended the binding patterns to seven based on 14 noroviruses examined. The oligosaccharide-based assays revealed additional epitopes that were not detected by the saliva-based assays. The seven patterns have been classified into two groups according to their interactions with three major epitopes (A/B, H, and Lewis) of human HBGAs: the A/B-binding group and the Lewis-binding group. Strains in the A/B binding group recognize the A and/or B and H antigens, but not the Lewis antigens, while strains in the Lewis-binding group react only to the Lewis and/or H antigens. This classification also resulted in a model of the norovirus/HBGA interaction. Phylogenetic analyses showed that strains with identical or closely related binding patterns tend to be clustered, but strains in both binding group can be found in both genogroups I and II. Our results suggest that noroviruses have a wide spectrum of host range and that human HBGAs play an important role in norovirus evolution. The high polymorphism of the human HBGA system, the involvement of multiple epitopes, and the typical protein/carbohydrate interaction between norovirus VLPs and HBGAs provide an explanation for the virus-ligand binding diversities.

Breast-feeding is a highly effective strategy for preventing morbidity and mortality in infancy. The human-milk glycans, which include oligosaccharides in their free and conjugated forms, constitute a major and an innate immunologic mechanism by which human milk protects breast-fed infants against infections. The glycans found in human milk function as soluble receptors that inhibit pathogens from adhering to their target receptors on the mucosal surface of the host gastrointestinal tract. The α1,2-linked fucosylated glycans, which require the secretor gene for expression in human milk, are the dominant glycan structure found in the milk of secretor mothers, who constitute the majority (∼80%) of mothers worldwide. In vitro and in vivo binding studies have demonstrated that α1,2-linked fucosylated glycans inhibit binding by campylobacter, stable toxin of enterotoxigenic Escherichia coli, and major strains of caliciviruses to their target host cell receptors. Consistent with these findings, recently published epidemiologic data demonstrate that higher relative concentrations of α1,2-linked fucosylated glycans in human milk are associated with protection of breast-fed infants against diarrhea caused by campylobacter, caliciviruses, and stable toxin of enterotoxigenic E. coli, and moderate-to-severe diarrhea of all causes. These novel data open the potential for translational research to develop the human-milk glycans as a new class of antimicrobial agents that prevent infection by acting as pathogen anti-adhesion agents.

Noroviruses are one of the major causes of nonbacterial gastroenteritis epidemics in humans. Recent studies on norovirus receptors show that different noroviruses recognize different human histo-blood group antigens (HBGAs), and eight receptor binding patterns of noroviruses have been identified. The P domain of the norovirus capsids is directly involved in this recognition. To determine the precise locations and receptor binding modes of HBGA carbohydrates on the viral capsids, a recombinant P protein of a GII-4 strain norovirus, VA387, was cocrystallized with synthetic type A or B trisaccharides. Based on complex crystal structures observed at a 2.0-A resolution, we demonstrated that the receptor binding site lies at the outermost end of the P domain and forms an extensive hydrogen-bonding network with the saccharide ligand. The A and B trisaccharides display similar binding modes, and the common fucose ring plays a key role in this interaction. The extensive interface between the two protomers in a P dimer also plays a crucial role in the formation of the receptor binding interface.

Background. Vaccines against norovirus, the leading cause of acute gastroenteritis, should protect against medically significant illness and reduce transmission. Methods. In this randomized, double-blind, placebo-controlled trial, 18- to 50-year-olds received 2 injections of placebo or norovirus GI.1/GII.4 bivalent vaccine-like particle (VLP) vaccine with 3-O-desacyl-4′-monophosphoryl lipid A (MPL) and alum. Participants were challenged as inpatients with GII.4 virus (4400 reverse transcription polymerase chain reaction [RT-PCR] units), and monitored for illness and infection. Results. Per protocol, 27 of 50 (54.0%) vaccinees and 30 of 48 (62.5%) controls were infected. Using predefined illness and infection definitions, vaccination did not meet the primary endpoint, but self-reported cases of severe (0% vaccinees vs 8.3% controls; P = .054), moderate or greater (6.0% vs 18.8%; P = .068), and mild or greater severity of vomiting and/or diarrhea (20.0% vs 37.5%; P = .074) were less frequent. Vaccination also reduced the modified Vesikari score from 7.3 to 4.5 (P = .002). Difficulties encountered were low norovirus disease rate, and inability to define illness by quantitative RT-PCR or further antibody rise in vaccinees due to high vaccine-induced titers. By day 10, 11 of 49 (22.4%) vaccinees were shedding virus compared with 17 of 47 (36.2%) placebo recipients (P = .179). Conclusions. Bivalent norovirus VLP vaccine reduced norovirus-related vomiting and/or diarrhea; field efficacy studies are planned. Clinical Trials Registration. NCT01609257.