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 approximately 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.

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.

HIV-1 entry into CD4(+) target cells is mediated by cleaved envelope glycoprotein (Env) trimers that have been challenging to characterize structurally. Here, we describe the crystal structure at 4.7 angstroms of a soluble, cleaved Env trimer that is stabilized and antigenically near-native (termed the BG505 SOSIP.664 gp140 trimer) in complex with a potent broadly neutralizing antibody, PGT122. The structure shows a prefusion state of gp41, the interaction between the component gp120 and gp41 subunits, and how a close association between the gp120 V1/V2/V3 loops stabilizes the trimer apex around the threefold axis. The complete epitope of PGT122 on the trimer involves gp120 V1, V3, and several surrounding glycans. This trimer structure advances our understanding of how Env functions and is presented to the immune system, and provides a blueprint for structure-based vaccine design.

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.

Vaccine development to induce broadly neutralizing antibodies (bNAbs) against HIV-1 is a global health priority. Potent VRC01-class bNAbs against the CD4 binding site of HIV gp120 have been isolated from HIV-1-infected individuals; however, such bNAbs have not been induced by vaccination. Wild-type gp120 proteins lack detectable affinity for predicted germline precursors of VRC01-class bNAbs, making them poor immunogens to prime a VRC01-class response. We employed computation-guided, in vitro screening to engineer a germline-targeting gp120 outer domain immunogen that binds to multiple VRC01-class bNAbs and germline precursors, and elucidated germline binding crystallographically. When multimerized on nanoparticles, this immunogen (eOD-GT6) activates germline and mature VRC01-class B cells. Thus, eOD-GT6 nanoparticles have promise as a vaccine prime. In principle, germline-targeting strategies could be applied to other epitopes and pathogens.