A decoy receptor for SARS-CoV-2 For severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) to enter human cells, the spike protein on the surface of the virus must bind to the host receptor protein, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). A soluble version of the receptor is being explored as a therapeutic. Chan et al. used deep mutagenesis to identify ACE2 mutants that bind more tightly to the spike protein and combined mutations to further increase binding affinity (see the Perspective by DeKosky). A promising variant was engineered to be a stable dimer that has a binding affinity for the spike protein; it is comparable with neutralizing antibodies and neutralized both SARS-CoV-2 and SARS-CoV-1 in a cell-based assay. In addition, the similarity to the natural receptor may limit the possibility for viral escape. Science , this issue p. 1261 ; see also p. 1167

TRPV1 plays a key role in nociception, as it is activated by heat, low pH, and ligands such as capsaicin, leading to a burning pain sensation. We describe the structure of the cytosolic ankyrin repeat domain (ARD) of TRPV1 and identify a multiligand-binding site important in regulating channel sensitivity within the TRPV1-ARD. The structure reveals a binding site that accommodates triphosphate nucleotides such as ATP, and biochemical studies demonstrate that calmodulin binds the same site. Electrophysiology experiments show that either ATP or PIP2 prevent desensitization to repeated applications of capsaicin, i.e., tachyphylaxis, while calmodulin plays an opposing role and is necessary for tachyphylaxis. Mutations in the TRPV1-ARD binding site eliminate tachyphylaxis. We present a model for the calcium-dependent regulation of TRPV1 via competitive interactions of ATP and calmodulin at the TRPV1-ARD-binding site and discuss its relationship to the C-terminal region previously implicated in interactions with PIP2 and calmodulin.

Monoclonal antibodies targeting the SARS-CoV-2 spike (S) glycoprotein neutralize infection and are efficacious for the treatment of mild-to-moderate COVID-19. However, SARS-CoV-2 variants have emerged that partially or fully escape monoclonal antibodies in clinical use. Notably, the BA.2 sublineage of B.1.1.529/omicron escapes nearly all monoclonal antibodies currently authorized for therapeutic treatment of COVID-19. Decoy receptors, which are based on soluble forms of the host entry receptor ACE2, are an alternative strategy that broadly bind and block S from SARS-CoV-2 variants and related betacoronaviruses. The high-affinity and catalytically active decoy sACE2 2 .v2.4-IgG1 was previously shown to be effective in vivo against SARS-CoV-2 variants when administered intravenously. Here, the inhalation of sACE2 2 .v2.4-IgG1 is found to increase survival and ameliorate lung injury in K18-hACE2 transgenic mice inoculated with a lethal dose of the virulent P.1/gamma virus. Loss of catalytic activity reduced the decoy’s therapeutic efficacy supporting dual mechanisms of action: direct blocking of viral S and turnover of ACE2 substrates associated with lung injury and inflammation. Binding of sACE2 2 .v2.4-IgG1 remained tight to S of BA.1 omicron, despite BA.1 omicron having extensive mutations, and binding exceeded that of four monoclonal antibodies approved for clinical use. BA.1 pseudovirus and authentic virus were neutralized at picomolar concentrations. Finally, tight binding was maintained against S from the BA.2 omicron sublineage, which differs from S of BA.1 by 26 mutations. Overall, the therapeutic potential of sACE2 2 .v2.4-IgG1 is further confirmed by inhalation route and broad neutralization potency persists against increasingly divergent SARS-CoV-2 variants.

ABSTRACT The spike S of SARS-CoV-2 recognizes ACE2 on the host cell membrane to initiate entry. Soluble decoy receptors, in which the ACE2 ectodomain is engineered to block S with high affinity, potently neutralize infection and, due to close similarity with the natural receptor, hold out the promise of being broadly active against virus variants without opportunity for escape. Here, we directly test this hypothesis. We find an engineered decoy receptor, sACE2 2 .v2.4, tightly binds S of SARS-associated viruses from humans and bats, despite the ACE2-binding surface being a region of high diversity. Saturation mutagenesis of the receptor-binding domain (RBD) followed by in vitro selection, with wild type ACE2 and the engineered decoy competing for binding sites, failed to find S mutants that discriminate in favor of the wild type receptor. Variant N501Y in the RBD, which has emerged in a rapidly spreading lineage (B.1.1.7) in England, enhances affinity for wild type ACE2 20-fold but remains tightly bound to engineered sACE22.v2.4. We conclude that resistance to engineered decoys will be rare and that decoys may be active against future outbreaks of SARS-associated betacoronaviruses.

The serotonin transporter, SERT, catalyzes serotonin reuptake at the synapse to terminate neurotransmission via an alternating access mechanism, and SERT inhibitors are the most widely prescribed antidepressants. Here, deep mutagenesis is used to determine the effects of nearly all amino acid substitutions on human SERT surface expression and transport of the fluorescent substrate APP+, identifying many mutations that enhance APP+ import. Comprehensive simulations of the entire ion-coupled import process reveal that while binding of the native substrate, serotonin, reduces free energy barriers between conformational states to promote SERT dynamics, the conformational free energy landscape in the presence of APP+ instead resembles Na+ bound-SERT, with a higher free energy barrier for transitioning to an inward-facing state. The deep mutational scan for SERT-catalyzed import of APP+ finds mutations that promote the necessary conformational changes that would otherwise be facilitated by the native substrate. Indeed, hundreds of gain-of-function mutations for APP+ import are found along the permeation pathway, most notably mutations that favor the formation of a solvent-exposed intracellular vestibule. The mutagenesis data support the simulated mechanism in which the neurotransmitter and a symported sodium share a common cytosolic exit pathway to achieve coupling. Furthermore, the mutational landscape for SERT surface expression, which likely filters out misfolded sequences, reveals that residues along the permeation pathway are mutationally tolerant, providing plausible evolutionary pathways for changes in transporter properties while maintaining folded structure.

Chemokine receptors are members of the rhodopsin-like class A GPCRs whose signaling through G proteins drives the directional movement of cells in response to a chemokine gradient. Chemokine receptors CXCR4 and CCR5 have been extensively studied due to their roles in white blood cell development and inflammation and their status as coreceptors for HIV-1 infection, among other functions. Both receptors form dimers or oligomers but the function/s of self-associations are unclear. While CXCR4 has been crystallized in a dimeric arrangement, available atomic resolution structures of CCR5 are monomeric. To investigate the dimerization interfaces of these chemokine receptors, we used a bimolecular fluorescence complementation (BiFC)-based screen and deep mutational scanning to find mutations that modify receptor self-association. Many disruptive mutations promoted self-associations nonspecifically, suggesting they aggregated in the membrane. A mutationally intolerant region was found on CXCR4 that matched the crystallographic dimer interface, supporting this dimeric arrangement in living cells. A mutationally intolerant region was also observed on the surface of CCR5 by transmembrane helices 3 and 4. Mutations from the deep mutational scan that reduce BiFC were validated and were localized in the transmembrane domains as well as the C-terminal cytoplasmic tails where they reduced lipid microdomain localization. The reduced self-association mutants of CXCR4 had increased binding to the ligand CXCL12 but diminished calcium signaling. There was no change in syncytia formation with cells expressing HIV-1 Env. The data highlight that multiple mechanisms are involved in self-association of chemokine receptor chains.

Abstract A potential therapeutic candidate for neutralizing SARS-CoV-2 infection is engineering high-affinity soluble ACE2 decoy proteins to compete for binding of the viral spike (S) protein. Previously, a deep mutational scan of ACE2 was performed and has led to the identification of a triple mutant ACE2 variant, named ACE2 2 .v.2.4, that exhibits nanomolar affinity binding to the RBD domain of S. Using a recently developed transfer learning algorithm, TLmutation, we sought to identified other ACE2 variants, namely double mutants, that may exhibit similar binding affinity with decreased mutational load. Upon training a TLmutation model on the effects of single mutations, we identified several ACE2 double mutants that bind to RBD with tighter affinity as compared to the wild type, most notably, L79V;N90D that binds RBD with similar affinity to ACE2 2 .v.2.4. The successful experimental validation of the double mutants demonstrated the use transfer and supervised learning approaches for engineering protein-protein interactions and identifying high affinity ACE2 peptides for targeting SARS-CoV-2.

Vaccine hesitancy and continuing emergence of SARS-CoV-2 variants of concern that may escape vaccine-induced immune responses highlight the urgent need for effective COVID-19 therapeutics. Monoclonal antibodies used in the clinic have varying efficacies against distinct SARS-CoV-2 variants; thus, there is considerable interest in engineered ACE2 peptides with augmented binding affinities for SARS-CoV-2 Spike protein. These could have therapeutic benefit against multiple viral variants. Using molecular dynamics simulations, we show how three amino acid substitutions in an engineered soluble ACE2 peptide (sACE2 2 .v2.4-IgG1) markedly increase affinity for the SARS-CoV-2 Spike (S) protein. We demonstrate high binding affinity to S protein of the early SARS-CoV-2 WA-1/2020 isolate and also to multiple variants of concern: B.1.1.7 (Alpha), B.1.351 (Beta), P.1 (Gamma), and B.1.617.2 (Delta) SARS-CoV-2 variants. In humanized K18-hACE2 mice, prophylactic and therapeutic administration of sACE2 2 .v2.4-IgG1 peptide prevented acute lung vascular endothelial injury and lung edema (essential features of ARDS) and significantly improved survival after infection by SARS-CoV-2 WA-1/2020 as well as P.1 variant of concern. These studies demonstrate for the first time broad efficacy in vivo of an ACE2 decoy peptide against multiple SARS-CoV-2 variants and point to its therapeutic potential.

ABSTRACT SARS-CoV-2 infections are initiated by attachment of the receptor-binding domain (RBD) on the viral Spike protein to angiotensin-converting enzyme-2 (ACE2) on human host cells. This critical first step occurs in dynamic environments, where external forces act on the binding partners and multivalent interactions play critical roles, creating an urgent need for assays that can quantitate SARS-CoV-2 interactions with ACE2 under mechanical load and in defined geometries. Here, we introduce a tethered ligand assay that comprises the RBD and the ACE2 ectodomain joined by a flexible peptide linker. Using magnetic tweezers and atomic force spectroscopy as highly complementary single-molecule force spectroscopy techniques, we investigate the RBD:ACE2 interaction over the whole physiologically relevant force range. We combine the experimental results with steered molecular dynamics simulations and observe and assign fully consistent unbinding and unfolding events across the three techniques, enabling us to establish ACE2 unfolding as a molecular fingerprint. Measuring at forces of 2-5 pN, we quantify the force dependence and kinetics of the RBD:ACE2 bond in equilibrium. We show that the SARS-CoV-2 RBD:ACE2 interaction has higher mechanical stability, larger binding free energy, and a lower dissociation rate in comparison to SARS-CoV-1, which helps to rationalize the different infection patterns of the two viruses. By studying how free ACE2 outcompetes tethered ACE2, we show that our assay is sensitive to prevention of bond formation by external binders. We expect our results to provide a novel way to investigate the roles of mutations and blocking agents for targeted pharmaceutical intervention.

Abstract The reuptake of the neurotransmitter serotonin from the synaptic cleft by the serotonin transporter, SERT, is essential for proper neurological signaling. Biochemical studies have shown Thr276 of transmembrane helix 5 is a site of PKG-mediated SERT phosphorylation, which has been proposed to shifts the SERT conformational equlibira to promote inward-facing states, thus enhancing 5HT transport. Recent structural and simulation studies have provided insights into the conformation transitions during substrate transport but have not shed light on SERT regulation via post-translational modifications. Using molecular dynamics simulations and Markov state models, we investigate how Thr276 phosphorylation impacts the SERT mechanism and its role in enhancing transporter stability and function. Our simulations show that Thr276 phosphorylation alters the hydrogen-bonding network involving residues on transmembrane helix 5. This in turn decreases the free energy barriers for SERT to transition to the inward-facing state, thus facilitating 5HT transport. The results provide atomistic insights into in vivo SERT regulation and can be extended to other pharmacologically important transporters in the solute carrier superfamily.