NTU Institute of Structural Biology, School of Biological Sciences, Nanyang Technological University, Singapore.
Novartis Institute for Tropical Diseases, Singapore.
J Virol. 2019 Dec 12;94(1). doi: 10.1128/JVI.01294-19.
Flavivirus nonstructural protein 5 (NS5) contains an N-terminal methyltransferase (MTase) domain and a C-terminal polymerase (RNA-dependent RNA polymerase [RdRp]) domain fused through a 9-amino-acid linker. While the individual NS5 domains are structurally conserved, in the full-length protein, their relative orientations fall into two classes: the NS5 proteins from Japanese encephalitis virus (JEV) and Zika virus (ZIKV) adopt one conformation, while the NS5 protein from dengue virus serotype 3 (DENV3) adopts another. Here, we report a crystallographic structure of NS5 from DENV2 in a conformation similar to the extended one seen in JEV and ZIKV NS5 crystal structures. Replacement of the DENV2 NS5 linker with DENV1, DENV3, DENV4, JEV, and ZIKV NS5 linkers had modest or minimal effects on DENV2 MTase and RdRp activities. Heterotypic DENV NS5 linkers attenuated DENV2 replicon growth in cells, while the JEV and ZIKV NS5 linkers abolished replication. Thus, the JEV and ZIKV linkers likely hindered essential DENV2 NS5 interactions with other viral or host proteins within the virus replicative complex. Overall, this work sheds light on the dynamics of the multifunctional flavivirus NS5 protein and its interdomain linker. Targeting the NS5 linker is a possible strategy for producing attenuated flavivirus strains for vaccine design. Flaviviruses include important human pathogens, such as dengue virus and Zika virus. NS5 is a nonstructural protein essential for flavivirus RNA replication with dual MTase and RdRp enzyme activities and thus constitutes a major drug target. Insights into NS5 structure, dynamics, and evolution should inform the development of antiviral inhibitors and vaccine design. We found that NS5 from DENV2 can adopt a conformation resembling that of NS5 from JEV and ZIKV. Replacement of the DENV2 NS5 linker with the JEV and ZIKV NS5 linkers abolished DENV2 replication in cells, without significantly impacting DENV2 NS5 enzymatic activities. We propose that heterotypic flavivirus NS5 linkers impede DENV2 NS5 protein-protein interactions that are essential for virus replication.
黄病毒非结构蛋白 5（NS5）包含一个 N 端甲基转移酶（MTase）结构域和一个 C 端聚合酶（RNA 依赖性 RNA 聚合酶 [RdRp]）结构域，通过 9 个氨基酸的连接子融合在一起。虽然单个 NS5 结构域在结构上是保守的，但在全长蛋白中，它们的相对取向分为两类：日本脑炎病毒（JEV）和寨卡病毒（ZIKV）的 NS5 蛋白采用一种构象，而登革热病毒血清型 3（DENV3）的 NS5 蛋白则采用另一种构象。在这里，我们报告了 DENV2 的 NS5 结构，其构象类似于 JEV 和 ZIKV NS5 晶体结构中观察到的伸展构象。用 DENV1、DENV3、DENV4、JEV 和 ZIKV NS5 连接子替换 DENV2 NS5 连接子对 DENV2 MTase 和 RdRp 活性的影响较小或最小。异型 DENV NS5 连接子在细胞中减弱了 DENV2 复制子的生长，而 JEV 和 ZIKV NS5 连接子则使复制完全失活。因此，JEV 和 ZIKV 连接子可能阻碍了 DENV2 NS5 与病毒复制复合物内其他病毒或宿主蛋白的必需相互作用。总的来说，这项工作揭示了多功能黄病毒 NS5 蛋白及其结构域间连接子的动态变化。针对 NS5 连接子可能是产生减毒黄病毒株用于疫苗设计的一种策略。黄病毒包括重要的人类病原体，如登革热病毒和寨卡病毒。NS5 是一种非结构蛋白，对黄病毒 RNA 复制是必需的，具有双重 MTase 和 RdRp 酶活性，因此是主要的药物靶标。对 NS5 结构、动态和进化的了解应该为抗病毒抑制剂的开发和疫苗设计提供信息。我们发现 DENV2 的 NS5 可以采用类似于 JEV 和 ZIKV 的 NS5 的构象。用 JEV 和 ZIKV NS5 连接子替换 DENV2 NS5 连接子会在细胞中完全抑制 DENV2 的复制，而对 DENV2 NS5 酶活性没有显著影响。我们提出，异型黄病毒 NS5 连接子阻碍了 DENV2 NS5 蛋白-蛋白相互作用，这些相互作用对病毒复制是必需的。
