As a result of the redundancy of the genetic code, adjacent pairs of amino acids can be encoded by as many as 36 different pairs of synonymous codons. A species-specific “codon pair bias” provides that some synonymous codon pairs are used more or less frequently than statistically predicted. We synthesized de novo large DNA molecules using hundreds of over-or underrepresented synonymous codon pairs to encode the poliovirus capsid protein. Underrepresented codon pairs caused decreased rates of protein translation, and polioviruses containing such amino acid–independent changes were attenuated in mice. Polioviruses thus customized were used to immunize mice and provided protective immunity after challenge. This “death by a thousand cuts” strategy could be generally applicable to attenuating many kinds of viruses.

ABSTRACT Exploring the utility of de novo gene synthesis with the aim of designing stably attenuated polioviruses (PV), we followed two strategies to construct PV variants containing synthetic replacements of the capsid coding sequences either by deoptimizing synonymous codon usage (PV-AB) or by maximizing synonymous codon position changes of the existing wild-type (wt) poliovirus codons (PV-SD). Despite 934 nucleotide changes in the capsid coding region, PV-SD RNA produced virus with wild-type characteristics. In contrast, no viable virus was recovered from PV-AB RNA carrying 680 silent mutations, due to a reduction of genome translation and replication below a critical level. After subcloning of smaller portions of the AB capsid coding sequence into the wt background, several viable viruses were obtained with a wide range of phenotypes corresponding to their efficiency of directing genome translation. Surprisingly, when inoculated with equal infectious doses (PFU), even the most replication-deficient viruses appeared to be as pathogenic in PV-sensitive CD155tg (transgenic) mice as the PV(M) wild type. However, infection with equal amounts of virus particles revealed a neuroattenuated phenotype over 100-fold. Direct analysis indicated a striking reduction of the specific infectivity of PV-AB-type virus particles. Due to the distribution effect of many silent mutations over large genome segments, codon-deoptimized viruses should have genetically stable phenotypes, and they may prove suitable as attenuated substrates for the production of poliovirus vaccines.

Human parainfluenza virus type 3 (HPIV3) is a major pediatric respiratory pathogen lacking available vaccines or antiviral drugs. We generated live-attenuated HPIV3 vaccine candidates by codon-pair deoptimization (CPD). HPIV3 open reading frames (ORFs) encoding the nucleoprotein (N), phosphoprotein (P), matrix (M), fusion (F), hemagglutinin–neuraminidase (HN), and polymerase (L) were modified singly or in combination to generate 12 viruses designated Min-N, Min-P, Min-M, Min-FHN, Min-L, Min-NP, Min-NPM, Min-NPL, Min-PM, Min-PFHN, Min-MFHN, and Min-PMFHN. CPD of N or L severely reduced growth in vitro and was not further evaluated. CPD of P or M was associated with increased and decreased interferon (IFN) response in vitro, respectively, but had little effect on virus replication. In Vero cells, CPD of F and HN delayed virus replication, but final titers were comparable to wild-type (wt) HPIV3. In human lung epithelial A549 cells, CPD F and HN induced a stronger IFN response, viral titers were reduced 100-fold, and the expression of F and HN proteins was significantly reduced without affecting N or P or the relative packaging of proteins into virions. Following intranasal infection in hamsters, replication in the nasal turbinates and lungs tended to be the most reduced for viruses bearing CPD F and HN, with maximum reductions of approximately 10-fold. Despite decreased in vivo replication (and lower expression of CPD F and HN in vitro), all viruses induced titers of serum HPIV3-neutralizing antibodies similar to wt and provided complete protection against HPIV3 challenge. In summary, CPD of HPIV3 yielded promising vaccine candidates suitable for further development.