Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) is the cellular receptor for severe acute respiratory syndrome–coronavirus (SARS-CoV) and the new coronavirus (SARS-CoV-2) that is causing the serious coronavirus disease 2019 (COVID-19) epidemic. Here, we present cryo–electron microscopy structures of full-length human ACE2 in the presence of the neutral amino acid transporter B0AT1 with or without the receptor binding domain (RBD) of the surface spike glycoprotein (S protein) of SARS-CoV-2, both at an overall resolution of 2.9 angstroms, with a local resolution of 3.5 angstroms at the ACE2-RBD interface. The ACE2-B0AT1 complex is assembled as a dimer of heterodimers, with the collectrin-like domain of ACE2 mediating homodimerization. The RBD is recognized by the extracellular peptidase domain of ACE2 mainly through polar residues. These findings provide important insights into the molecular basis for coronavirus recognition and infection.

Hitting SARS-CoV-2 in a new spot A key target for therapeutic antibodies against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the spike protein, a trimeric protein complex with each monomer comprising an S1 and an S2 domain that mediate binding to host cells and membrane fusion, respectively. In addition to the receptor binding domain (RBD), S1 has an N-terminal domain (NTD). In searching for neutralizing antibodies, there has been a focus on the RBD. Chi et al. isolated antibodies from 10 convalescent patients and identified an antibody that potently neutralizes the virus but does not bind the RBD. Cryo–electron microscopy revealed the epitope as the NTD. This NTD-targeting antibody may be useful to combine with RBD-targeting antibodies in therapeutic cocktails. Science , this issue p. 650

Abstract SARS-CoV-2 enters cells via ACE-2, which binds the spike protein with moderate affinity. Despite a constant background mutational rate, the virus must retain binding with ACE2 for infectivity, providing a conserved constraint for SARS-CoV-2 inhibitors. To prevent mutational escape of SARS-CoV-2 and to prepare for future related coronavirus outbreaks, we engineered a de novo trimeric ACE2 (T-ACE2) protein scaffold that binds the trimeric spike protein with extremely high affinity (K D < 1 pM), while retaining ACE2 native sequence. T-ACE2 potently inhibits all tested pseudotyped viruses including SARS-CoV-2, SARS-CoV, eight naturally occurring SARS-CoV-2 mutants, two SARSr-CoVs as well as authentic SARS-CoV-2. The cryo-EM structure reveals that T-ACE2 can induce the transit of spike protein to “three-up” RBD conformation upon binding. T-ACE2 thus represents a promising class of broadly neutralizing proteins against SARS-CoVs and mutants.

Abstract Neutralizing monoclonal antibodies (nAbs) to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) represent promising candidates for clinical intervention against coronavirus virus diseases 2019 (COVID-19). We isolated a large number of nAbs from SARS-CoV-2 infected individuals capable of disrupting proper interaction between the receptor binding domain (RBD) of the viral spike (S) protein and the receptor angiotensin converting enzyme 2 (ACE2). In order to understand the mechanism of these nAbs on neutralizing SARS-CoV-2 virus infections, we have performed cryo-EM analysis and here report cryo-EM structures of the ten most potent nAbs in their native full-length IgG or Fab forms bound to the trimeric S protein of SARS-CoV-2. The bivalent binding of the full-length IgG is found to associate with more RBD in the “up” conformation than the monovalent binding of Fab, perhaps contributing to the enhanced neutralizing activity of IgG and triggering more shedding of the S1 subunit from the S protein. Comparison of large number of nAbs identified common and unique structural features associated with their potent neutralizing activities. This work provides structural basis for further understanding the mechanism of nAbs, especially through revealing the bivalent binding and their correlation with more potent neutralization and the shedding of S1 subunit.

Abstract The ongoing pandemic caused by a monkeypox virus (MPXV) variant has spread all over the world and raised great public health concerns. The DNA polymerase F8 of MPXV, associated with its processivity factors A22 and E4, is responsible for viral genome replication in the perinuclear sites of the infected cells as well as a critical target for developing antiviral drugs. However, the assembly and working mechanism for the DNA polymerase holoenzyme of MPXV remains elusive. Here, we present the cryo-EM structure of the DNA polymerase holoenzyme F8/A22/E4 from the 2022 West African strain at an overall resolution of 3.5 Å and revealed the precise spatial arrangement. Surprisingly, unlike any other previously reported B-family DNA polymerase, the holoenzyme complex is assembled as a dimer of heterotrimers, of which the extra interface between the thumb domain of F8 and A22 shows a clash between A22 and substrate DNA, suggesting an auto-inhibition state. Supplying an exogenous double-stranded DNA could notably shift the hexameric form into a trimeric form, which exposes the DNA binding site of thumb domain and might represent a more active state. The structures provide a molecular basis for the design of new antiviral therapeutics that target the MPXV DNA polymerase holoenzyme.

Abstract The Omicron variants of SARS-CoV-2 have recently become the globally dominant variants of concern in the COVID-19 pandemic. At least five major Omicron sub-lineages have been characterized: BA.1, BA.2, BA.3, BA.4 and BA.5. They all possess over 30 mutations on the Spike (S) protein. Here we report the cryo-EM structures of the trimeric S proteins from the five subvariants, of which BA.4 and BA.5 share the same mutations of S protein, each in complex with the surface receptor ACE2. All three receptor binding domains of S protein from BA.2 and BA.4/BA.5 are “up”, while the BA.1 S protein has two “up” and one “down”. The BA.3 S protein displays increased heterogeneity, with the majority in the all “up” RBD state. The differentially preferred conformations of the S protein are consistent with their varied transmissibilities. Analysis of the well defined S309 and S2K146 epitopes reveals the underlie immune evasion mechanism of Omicron subvariants.

Abstract The sterol regulatory element-binding protein (SREBP) pathway senses the cellular cholesterol level through sterol regulated association between Scap and Insig. Despite the recent structural determination of the transmembrane domains of human Scap and Insig-2 bound to 25-hydroxycholesterol (25HC), the structure and regulatory mechanism of the luminal domains of Scap by cholesterol remains elusive. Here, combining cryo-EM analysis and artificial intelligence-facilitated structural prediction, we report the structure of the human Scap/Insig-2 complex in the presence of digitonin instead of 25HC. Despite the lack of sequence similarity, the structure of the luminal domain Loop 1 and a co-folded segment in Loop 7 of Scap resembles that of the luminal/extracellular domain in NPC1 and related proteins. Comparison of the sterol-loaded structures of these proteins provides clues of the regulation of Loop 1/7 interaction by cholesterol. We also show that the structure of Scap(D428A), which suppresses SREBP activation under sterol depletion, is identical to WT when complexed with Insig-2, although the gain of function may also involve a later step in protein trafficking.

Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) is the surface receptor for SARS coronavirus (SARS-CoV) through interaction with its spike glycoprotein (S protein). ACE2 is also suggested to be the receptor for the new coronavirus (2019-nCoV), which is causing a serious epidemic in China manifested with severe respiratory syndrome. BAT1 (SLC6A19) is a neutral amino acid transporter whose surface expression in intestinal cells requires ACE2. Here we present the 2.9 Å resolution cryo-EM structure of full-length human ACE2 in complex with BAT1. The complex, assembled as a dimer of ACE2-BAT1 heterodimers, exhibits open and closed conformations due to the shifts of the peptidase domains of ACE2. A newly resolved Collectrin-like domain (CLD) on ACE2 mediates homo-dimerization. The extended TM7 in each BAT1 clamps CLD of ACE2. Structural analysis suggests that the ACE2-BAT1 complex can bind two S proteins simultaneously, providing important clues to the molecular basis for coronavirus recognition and infection.

Acyl-coenzyme A: cholesterol acyltransferases (ACATs) catalyze acyl transfer from acyl-coenzyme A (CoA) to cholesterol to generate cholesteryl ester, which is the primary form for cellular storage and plasma transport of cholesterol. Because of their close relationship with cholesterol metabolism, ACATs represent potential drug target for the treatment of atherosclerosis and other cholesterol-related disorders. Here we present the cryo-EM structure of human ACAT1 at 3.3 angstrom resolution for dimer of dimers and 3.0 angstrom for a dimer. Each protomer consists of nine transmembrane segments that enclose a cytosolic (C) and a transmembrane (T) tunnel. The tunnels, each accommodating an elongated density, converge at the predicted catalytic site. Structure-guided mutational analyses suggest the cytosolic and lateral entry for acyl-CoA and cholesterol, respectively. Our structural, biochemical, and mass spectrometric characterizations reveal the catalytic mechanism and substrate preference for unsaturated acyl chain by ACAT1.