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 The pandemic of coronavirus disease 2019 (COVID-19) caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) presents a global public health threat. Most research on therapeutics against SARS-CoV-2 focused on the receptor binding domain (RBD) of the Spike (S) protein, whereas the vulnerable epitopes and functional mechanism of non-RBD regions are poorly understood. Here we isolated and characterized monoclonal antibodies (mAbs) derived from convalescent COVID-19 patients. An mAb targeting the N-terminal domain (NTD) of the SARS-CoV-2 S protein, named 4A8, exhibits high neutralization potency against both authentic and pseudotyped SARS-CoV-2, although it does not block the interaction between angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor and S protein. The cryo-EM structure of the SARS-CoV-2 S protein in complex with 4A8 has been determined to an overall resolution of 3.1 Angstrom and local resolution of 3.4 Angstrom for the 4A8-NTD interface, revealing detailed interactions between the NTD and 4A8. Our functional and structural characterizations discover a new vulnerable epitope of the S protein and identify promising neutralizing mAbs as potential clinical therapy for COVID-19.

Abstract The pandemic of COVID-19 caused by SARS-CoV-2 continues to spread around the world. Mutant strains of SARS-CoV-2 are constantly emerging. At present, Omicron variants have become mainstream. In this work, we carried out a systematic and comprehensive analysis of the reported spike protein antibodies, counting the antibodies’ epitopes and genotypes. We further comprehensively analyzed the impact of Omicron mutations on antibody epitopes and classified these antibodies according to their binding patterns. We found that the epitopes of one class of antibodies were significantly less affected by Omicron mutations than other classes. Binding and virus neutralization experiments show that such antibodies can effectively inhibit the immune escape of Omicron. Cryo-EM results show that this class of antibodies utilizes a conserved mechanism to neutralize SARS-CoV-2. Our results greatly help us deeply understand the impact of Omicron mutations. At the same time, it also provides guidance and insights for developing Omicron antibodies and vaccines.

Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) has been suggested to be the cellular receptor for the new coronavirus (2019-nCoV) that is causing the coronavirus disease 2019 (COVID-19). Like other coronaviruses such as the SARS-CoV, the 2019-nCoV uses the receptor binding domain (RBD) of the surface spike glycoprotein (S protein) to engage ACE2. We most recently determined the structure of the full-length human ACE2 in complex with a neutral amino acid transporter BAT1. Here we report the cryo-EM structure of the full-length human ACE2 bound to the RBD of the 2019-nCoV at an overall resolution of 2.9 Å in the presence of BAT1. The local resolution at the ACE2-RBD interface is 3.5 Å, allowing analysis of the detailed interactions between the RBD and the receptor. Similar to that for the SARS-CoV, the RBD of the 2019-nCoV is recognized by the extracellular peptidase domain (PD) of ACE2 mainly through polar residues. Pairwise comparison reveals a number of variations that may determine the different affinities between ACE2 and the RBDs from these two related viruses.

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.