P-glycoprotein (P-gp) detoxifies cells by exporting hundreds of chemically unrelated toxins but has been implicated in multidrug resistance (MDR) in the treatment of cancers. Substrate promiscuity is a hallmark of P-gp activity, thus a structural description of poly-specific drug-binding is important for the rational design of anticancer drugs and MDR inhibitors. The x-ray structure of apo P-gp at 3.8 angstroms reveals an internal cavity of ∼6000 angstroms cubed with a 30 angstrom separation of the two nucleotide-binding domains. Two additional P-gp structures with cyclic peptide inhibitors demonstrate distinct drug-binding sites in the internal cavity capable of stereoselectivity that is based on hydrophobic and aromatic interactions. Apo and drug-bound P-gp structures have portals open to the cytoplasm and the inner leaflet of the lipid bilayer for drug entry. The inward-facing conformation represents an initial stage of the transport cycle that is competent for drug binding.

Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) is a lineage C betacoronavirus that since its emergence in 2012 has caused outbreaks in human populations with case-fatality rates of ∼36%. As in other coronaviruses, the spike (S) glycoprotein of MERS-CoV mediates receptor recognition and membrane fusion and is the primary target of the humoral immune response during infection. Here we use structure-based design to develop a generalizable strategy for retaining coronavirus S proteins in the antigenically optimal prefusion conformation and demonstrate that our engineered immunogen is able to elicit high neutralizing antibody titers against MERS-CoV. We also determined high-resolution structures of the trimeric MERS-CoV S ectodomain in complex with G4, a stem-directed neutralizing antibody. The structures reveal that G4 recognizes a glycosylated loop that is variable among coronaviruses and they define four conformational states of the trimer wherein each receptor-binding domain is either tightly packed at the membrane-distal apex or rotated into a receptor-accessible conformation. Our studies suggest a potential mechanism for fusion initiation through sequential receptor-binding events and provide a foundation for the structure-based design of coronavirus vaccines.

We show that SARS-CoV-2 spike protein interacts with both cellular heparan sulfate and angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) through its receptor-binding domain (RBD). Docking studies suggest a heparin/heparan sulfate-binding site adjacent to the ACE2-binding site. Both ACE2 and heparin can bind independently to spike protein in vitro, and a ternary complex can be generated using heparin as a scaffold. Electron micrographs of spike protein suggests that heparin enhances the open conformation of the RBD that binds ACE2. On cells, spike protein binding depends on both heparan sulfate and ACE2. Unfractionated heparin, non-anticoagulant heparin, heparin lyases, and lung heparan sulfate potently block spike protein binding and/or infection by pseudotyped virus and authentic SARS-CoV-2 virus. We suggest a model in which viral attachment and infection involves heparan sulfate-dependent enhancement of binding to ACE2. Manipulation of heparan sulfate or inhibition of viral adhesion by exogenous heparin presents new therapeutic opportunities.

A desirable but as yet unachieved property of a human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) vaccine candidate is the ability to induce broadly neutralizing antibodies (bNAbs). One approach to the problem is to create trimeric mimics of the native envelope glycoprotein (Env) spike that expose as many bNAb epitopes as possible, while occluding those for non-neutralizing antibodies (non-NAbs). Here, we describe the design and properties of soluble, cleaved SOSIP.664 gp140 trimers based on the subtype A transmitted/founder strain, BG505. These trimers are highly stable, more so even than the corresponding gp120 monomer, as judged by differential scanning calorimetry. They are also homogenous and closely resemble native virus spikes when visualized by negative stain electron microscopy (EM). We used several techniques, including ELISA and surface plasmon resonance (SPR), to determine the relationship between the ability of monoclonal antibodies (MAbs) to bind the soluble trimers and neutralize the corresponding virus. In general, the concordance was excellent, in that virtually all bNAbs against multiple neutralizing epitopes on HIV-1 Env were highly reactive with the BG505 SOSIP.664 gp140 trimers, including quaternary epitopes (CH01, PG9, PG16 and PGT145). Conversely, non-NAbs to the CD4-binding site, CD4-induced epitopes or gp41ECTO did not react with the trimers, even when their epitopes were present on simpler forms of Env (e.g. gp120 monomers or dissociated gp41 subunits). Three non-neutralizing MAbs to V3 epitopes did, however, react strongly with the trimers but only by ELISA, and not at all by SPR and to only a limited extent by EM. These new soluble trimers are useful for structural studies and are being assessed for their performance as immunogens.

Abstract Recent history is punctuated by the emergence of highly pathogenic coronaviruses such as SARS- and MERS-CoV into human circulation. Upon infecting host cells, coronaviruses assemble a multi-subunit RNA-synthesis complex of viral non-structural proteins (nsp) responsible for the replication and transcription of the viral genome. Here, we present the 3.1 Å resolution structure of the SARS-CoV nsp12 polymerase bound to its essential co-factors, nsp7 and nsp8, using single particle cryo-electron microscopy. nsp12 possesses an architecture common to all viral polymerases as well as a large N-terminal extension containing a kinase-like fold and is bound by two nsp8 co-factors. This structure illuminates the assembly of the coronavirus core RNA-synthesis machinery, provides key insights into nsp12 polymerase catalysis and fidelity and acts as a template for the design of novel antiviral therapeutics.

Knowing the Enemy Infection of host cells by HIV-1 is mediated by an envelope glycoprotein (Env) trimeric spike on the surface of the virus. Proteins comprising the Env trimer must be cleaved for infectivity, and thus viral fusion involves three Env conformations. The flexibility of the Env trimer has made it a challenge to determine a high-resolution structure, although such a structure is key both for understanding trimer function and for guiding vaccine design. Lyumkis et al. (p. 1484 ) and Julien et al. (p. 1477 ) studied soluble cleaved trimers stabilized by specific mutations but that have kept a near-native antigenicity profile. Lyumkis et al. present a high-resolution structure of the trimer in complex with a broadly neutralizing antibody, and Julien et al. present a crystal structure of the trimer in complex with another broadly neutralizing antibody.

A 4.0 Å resolution cryo-electron microscopy structure of the pre-fusion form of the trimeric spike from the human coronavirus HKU1 provides insight into how the spike protein mediates host-cell attachment and membrane fusion. Coronaviruses are responsible for respiratory infections worldwide, many of them mild, but also including severe pneumonia and the recent SARS and MERS outbreaks. The entry of coronaviruses into cells is mediated by the virus glycoprotein spike trimer, which contains the receptor-binding domain, as well as membrane fusion domains. Two papers published in this issue of Nature provide high-resolution (4Å) cryo-electron microscopy structures of pre-fusion coronavirus spike trimers. David Veesler and colleagues studied the trimer from murine hepatitis virus; Andrew Ward and colleagues used the human betacoronavirus HKU1, a cause of mild respiratory disease. The structures reveal mechanistic insights into the viral fusion process and architectural similarities to paramyxovirus F proteins, suggesting that these fusion proteins may have evolved from a distant common ancestor. HKU1 is a human betacoronavirus that causes mild yet prevalent respiratory disease1, and is related to the zoonotic SARS2 and MERS3 betacoronaviruses, which have high fatality rates and pandemic potential. Cell tropism and host range is determined in part by the coronavirus spike (S) protein4, which binds cellular receptors and mediates membrane fusion. As the largest known class I fusion protein, its size and extensive glycosylation have hindered structural studies of the full ectodomain, thus preventing a molecular understanding of its function and limiting development of effective interventions. Here we present the 4.0 Å resolution structure of the trimeric HKU1 S protein determined using single-particle cryo-electron microscopy. In the pre-fusion conformation, the receptor-binding subunits, S1, rest above the fusion-mediating subunits, S2, preventing their conformational rearrangement. Surprisingly, the S1 C-terminal domains are interdigitated and form extensive quaternary interactions that occlude surfaces known in other coronaviruses to bind protein receptors. These features, along with the location of the two protease sites known to be important for coronavirus entry, provide a structural basis to support a model of membrane fusion mediated by progressive S protein destabilization through receptor binding and proteolytic cleavage. These studies should also serve as a foundation for the structure-based design of betacoronavirus vaccine immunogens.

ATP-binding cassette (ABC) transporters are integral membrane proteins that translocate a wide variety of substrates across cellular membranes and are conserved from bacteria to humans. Here we compare four x-ray structures of the bacterial ABC lipid flippase, MsbA, trapped in different conformations, two nucleotide-bound structures and two in the absence of nucleotide. Comparison of the nucleotide-free conformations of MsbA reveals a flexible hinge formed by extracellular loops 2 and 3. This hinge allows the nucleotide-binding domains to disassociate while the ATP-binding half sites remain facing each other. The binding of the nucleotide causes a packing rearrangement of the transmembrane helices and changes the accessibility of the transporter from cytoplasmic (inward) facing to extracellular (outward) facing. The inward and outward openings are mediated by two different sets of transmembrane helix interactions. Altogether, the conformational changes between these structures suggest that large ranges of motion may be required for substrate transport.

Building Better Vaccines In the past few years, several highly potent, broadly neutralizing antibodies (bNAbs) specific for the gp120 envelope protein of HIV-1 have been discovered. The goal of this work is to use this information to inform the design of vaccines that are able to induce such antibodies (see the Perspective by Crowe ). However, because of extensive somatic hypermutation, the epitope bound by these antibodies often does not bind to the germline sequence. Jardine et al. (p. 711 , published online 28 March; see the cover) used computational analysis and in vitro screening to design an immunogen that could bind to VRC01-class bNAbs and to their germline precursors. Georgiev et al. (p. 751 ) took advantage of the fact that only four sites on the HIV viral envelope protein seem to bind bNAbs, and sera that contain particular bNAbs show characteristic patterns of neutralization. An algorithm was developed that could successfully delineate the neutralization specificity of antibodies present in polyclonal sera from HIV-infected patients.

An HIV antibody achieves potency and breadth by binding simultaneously to two conserved glycans on the viral envelope protein.