Флавивирусы передаются преимущественно через укусы инфицированных комаров и клещей как животным, так и людям и вызывают различные патологии от бессимптомных до угрожающих жизни, включая энцефалит и геморрагическую лихорадку. Несмотря на то, что ежегодно миллионы людей заражаются флавивирусами, не существует одобренных противовирусных препаратов для лечения вызываемых ими инфекций, а известные вакцины эффективны только против определенных серотипов. Понимание принципов структурной организации белков и механизмов, управляющих морфологическими преобразованиями в вирусных оболочках (капсидах) во время их созревания, может иметь решающее значение для разработки новых противовирусных стратегий.

Все флавивирусы имеют сходную структурную организацию. Внутренняя белковая оболочка, окружена липидной мембраной, которая затем покрывается внешней белковой оболочкой, состоящей из 180 сложных белков, называемых гетеродимерами. Внешняя оболочка собирается на мембране эндоплазматического ретикулума из 60 предварительно собранных симметричных тримеров, состоящих из трех идентичных гетеродимеров. При транспортировке на поверхность клетки через сеть аппарата Гольджи происходит созревание вируса и его тримерная внешняя оболочка перестраивается в гладкую плотно упакованную структуру, образованную из 90 димеров. Внутренний капсид состоит из 60 димеров, сформированных из С белка. Несмотря на относительную простоту, структура капсида была расшифрована лишь в 2020 г. и только для несозревшей оболочки.

Используя последние данные о структуре флавивирусов, мы выявляем скрытые особенности порядка белков в сложной оболочке флавивируса, самособирающейся одновременно на двух противоположных сторонах липидной мембраны [1]. Поверхность незрелых флавивирусов основана на тригексагональной решетке, а радиальные проекции центров масс, рассчитанные для белков как внутренней, так и внешней незрелых оболочек, образуют общую икосаэдрическую треугольную сферическую решетку (геодезический полиэдр) (5,0). Таким образом, несмотря на липидную мембрану, разделяющую белковые слои, их структурная организация согласуется с принципом плотной упаковки слоистых структур: положения гетеродимеров (внешняя сторона) находятся между позициями капсидных белков (внутренняя сторона), что делает всю структуру более однородной и, возможно, также более стабильной. В рамках предложенной структурной модели мы дополнительно рационализируем структурную организацию неправильно собираемых in vitro неинфекционных субвирусных частиц, не имеющих внутреннего капсида.

После перестройки центры масс гетеродимеров практически совпадают с узлами сферической решетки (3,2), что выявляет скрытую симметрию димерной структуры [1]. К сожалению, нет подробных структурных данных о внутренней оболочке флавивирусов в зрелом состоянии. Однако, поскольку капсид защищен липидной мембраной, представляется разумным предположить, что при переходе структура капсида остается неизменной. В этом случае центры масс димеров капсида С должны по-прежнему соответствовать сферической решетке (5,0), тогда как в димерной внешней оболочке центры масс гетеродимеров принадлежат сферической решетке (3,2). Так как указанные выше сферических решеток не имеют общих узлов, соразмерность между слоями значительно уменьшается.

Установив соответствие между положениями гетеродимеров в тримерном и димерном состоянии, можно полностью определить до сих пор неясный структурный механизм перестройки внешней белковой оболочки. Для этого мы накладываем друг на друга центры масс гетеродимеров до и после перестройки и предполагаем, что смещения центров масс белков малы. Такое предположение приводит к вполне конкретной рассматриваемой в докладе перегруппировке тримеров в димеры [2].

Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 22-12-00105).

1. Konevtsova O. V., Golushko I. Y., Podgornik R., Rochal S. B., Hidden symmetry of the flavivirus protein shell and pH-controlled reconstruction of the viral surface// Biomater. Sci. 2023. Vol. 11. P. 225.

2. Rochal S. B., Konevtsova O. V., Roshal D. S., Božič A., Golushko I. Y., Podgornik R. Packing and trimer-to-dimer protein reconstruction in icosahedral viral shells with a single type of symmetrical structural unit// Nanoscale Adv. 2022. Vol. 4. P. 4677.

Flavivirus is the most common genus of the Flaviviridae family including over 50 species, which are transmitted predominantly through bites of infectious mosquitoes and ticks to both animals and humans. Flavivirus causes various pathologies ranging from asymptomatic to life-threatening ones, including encephalitis and hemorrhagic fever. Although millions of people are infected with flavivirus every year, сurrently there are no approved antiviral drugs for the treatment of flavivirus infections, and known vaccines are effective only against certain serotypes. Understanding the principles of structural organization and the mechanisms driving morphological transformations in virus shells (capsids) during their maturation can be pivotal for the development of new antiviral strategies.

All flaviviruses exhibit similar icosahedral proteinaceous capsid structures. The inner protein shell of the capsid is formed from capsid protein C. The capsid is surrounded by a lipid membrane, which is then covered by an outer protein shell, consisting of 180 complex proteins called E heterodimers. The interposed membrane thus mediates the interactions between the two protein layers. The outer shell assembles on the endoplasmic reticulum membrane from 60 pre-assembled symmetrical trimers consisting of three identical heterodimers. While being transported to the cell surface through the trans-Golgi network, the trimeric outer shell reconstructs to smooth densely packed structures formed by 90 dimers. The inner capsid consists of 60 C protein dimers. Despite its relative simplicity, the structure of the capsid was obtained only in 2020.

Using recent flavivirus structural data we reveal the hidden features of protein order in a complex flavivirus shell, which selfassembles simultaneously on two opposite sides of an interposed lipid membrane [1]. As elucidated in this work, the arrangement of proteins within the icosahedron faces of the immature flavivirus surface is based on the trihexagonal lattice, while the radial projections of the mass centers calculated for the proteins of both inner and outer immature shells form a common icosahedral triangular spherical lattice (geodesic polyhedron) (5,0). Thus, despite the interposed lipid membrane separating the proteinaceous layers, their structural organization is consistent with the close packing principle of layered structures: the positions of surface proteins (outer side) reside between those of capsid proteins (inner side), which makes the whole system more homogeneous and possibly also more stable. Within the proposed structural model, we furthermore rationalize the structural organization of misassembled non-infectious subviral particles that have no inner capsid.

During the maturation, the self-assembled outer shell goes through a transition from a trimer into a dimer protein state, so that the protein locations coincide with the spherical lattice (3,2). Unfortunately, there are no detailed structural data on the flavivirus inner shells in the mature state. However, since the capsid is protected by the lipid membrane, it seems reasonable to assume that upon transition, the capsid structure remains unchanged. In that case the mass centers of capsid C dimers should still correspond to the spherical lattice (5,0), whereas in the dimeric outer shell, the protein mass centers belong to the spherical lattice (3,2). As the above spherical lattices do not have common nodes, commensurability and matching between the layers decrease after the trimer-to-dimer reconstruction.

By establishing a correspondence between the heterodimer positions in the trimeric and dimeric states, it is possible to completely determine the still unclear structural mechanism of the transition that occurs during the maturation of flavivirus. For this aim, we superimpose the centers of mass of heterodimers before and after the structure transformation and assume that the displacements of the centers of mass of proteins are small. Such an assumption leads to a well-defined mechanism of the trimeric to dimeric rearrangement [2].

This study was supported by a grant of the Russian Science Foundation (project no. 22-12-00105).

1. Konevtsova O. V., Golushko I. Y., Podgornik R., Rochal S. B., Hidden symmetry of the flavivirus protein shell and pH-controlled reconstruction of the viral surface// Biomater. Sci. 2023. Vol. 11. P. 225.

2. Rochal S. B., Konevtsova O. V., Roshal D. S., Božič A., Golushko I. Y., Podgornik R. Packing and trimer-to-dimer protein reconstruction in icosahedral viral shells with a single type of symmetrical structural unit// Nanoscale Adv. 2022. Vol. 4. P. 4677.