Abstract Severe Acute Respiratory Syndrome coronavirus 2 (SARS‐CoV‐2) is rapidly spreading around the world. There is no existing vaccine or proven drug to prevent infections and stop virus proliferation. Although this virus is similar to human and animal SARS‐CoVs and Middle East Respiratory Syndrome coronavirus (MERS‐CoVs), the detailed information about SARS‐CoV‐2 proteins structures and functions is urgently needed to rapidly develop effective vaccines, antibodies, and antivirals. We applied high‐throughput protein production and structure determination pipeline at the Center for Structural Genomics of Infectious Diseases to produce SARS‐CoV‐2 proteins and structures. Here we report two high‐resolution crystal structures of endoribonuclease Nsp15/NendoU. We compare these structures with previously reported homologs from SARS and MERS coronaviruses.

Targeting the main protease of SARS-CoV-2 Inside host cells, the RNA genome of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is translated into two polyproteins that are cleaved to give the individual viral proteins. The main viral protease, known as Mpro or 3CLpro, plays a key role in these cleavages, making it an important drug target. Drayman et al . identified eight drugs that target 3CLpro from a library of 1900 clinically safe drugs. Because of the challenge of working with SARS-CoV-2, they started by screening for drugs that inhibit the replication of a human coronavirus that causes the common cold. They then evaluated the top hits for inhibiting SARS-CoV-2 replication and for inhibiting 3CLpro. Masitinib, a broad antiviral, inhibited the main proteases of coronaviruses and picornaviruses and was effective in reducing SARS-CoV-2 replication in mice. —VV

There is an urgent need for anti-viral agents that treat SARS-CoV-2 infection. The shortest path to clinical use is repurposing of drugs that have an established safety profile in humans. Here, we first screened a library of 1,900 clinically safe drugs for inhibiting replication of OC43, a human beta-coronavirus that causes the common-cold and is a relative of SARS-CoV-2, and identified 108 effective drugs. We further evaluated the top 26 hits and determined their ability to inhibit SARS-CoV-2, as well as other pathogenic RNA viruses. 20 of the 26 drugs significantly inhibited SARS-CoV-2 replication in human lung cells (A549 epithelial cell line), with EC50 values ranging from 0.1 to 8 micromolar. We investigated the mechanism of action for these and found that masitinib, a drug originally developed as a tyrosine-kinase inhibitor for cancer treatment, strongly inhibited the activity of the SARS-CoV-2 main protease 3CLpro. X-ray crystallography revealed that masitinib directly binds to the active site of 3CLpro, thereby blocking its enzymatic activity. Mastinib also inhibited the related viral protease of picornaviruses and blocked picornaviruses replication. Thus, our results show that masitinib has broad anti-viral activity against two distinct beta-coronaviruses and multiple picornaviruses that cause human disease and is a strong candidate for clinical trials to treat SARS-CoV-2 infection.

ABSTRACT Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 is rapidly spreading around the world. There is no existing vaccine or proven drug to prevent infections and stop virus proliferation. Although this virus is similar to human and animal SARS- and MERS-CoVs the detailed information about SARS-CoV-2 proteins structures and functions is urgently needed to rapidly develop effective vaccines, antibodies and antivirals. We applied high-throughput protein production and structure determination pipeline at the Center for Structural Genomics of Infectious Diseases to produce SARS-CoV-2 proteins and structures. Here we report the high-resolution crystal structure of endoribonuclease Nsp15/NendoU from SARS-CoV-2 – a virus causing current world-wide epidemics. We compare this structure with previously reported models of Nsp15 from SARS and MERS coronaviruses.

ABSTRACT SARS-CoV-2 Nsp15 is a uridylate-specific endoribonuclease with C-terminal catalytic domain belonging to the EndoU family. It degrades the polyuridine extensions in (−) sense strand of viral RNA and some non-translated RNA on (+) sense strand. This activity seems to be responsible for the interference with the innate immune response and evasion of host pattern recognition. Nsp15 is highly conserved in coronaviruses suggesting that its activity is important for virus replication. Here we report first structures with bound nucleotides and show that SARS-CoV-2 Nsp15 specifically recognizes U in a pattern previously predicted for EndoU. In the presence of manganese ions, the enzyme cleaves unpaired RNAs. Inhibitors of Nsp15 have been reported but not actively pursued into therapeutics. The current COVID-19 pandemic brought to attention the repurposing of existing drugs and the rapid identification of new antiviral compounds. Tipiracil is an FDA approved drug that is used with trifluridine in the treatment of colorectal cancer. Here, we combine crystallography, biochemical and whole cell assays, and show that this compound inhibits SARS-CoV-2 Nsp15 and interacts with the uridine binding pocket of the enzyme’s active site, providing basis for the uracil scaffold-based drug development.

ABSTRACT Among 15 nonstructural proteins (Nsps), the newly emerging SARS-CoV-2 encodes a large, multidomain Nsp3. One of its units is ADP-ribose phosphatase domain (ADRP, also known as macrodomain) which is believed to interfere with the host immune response. Such a function appears to be linked to the protein’s ability to remove ADP-ribose from ADP-ribosylated proteins and RNA, yet the precise role and molecular targets of the enzyme remains unknown. Here, we have determined five, high resolution (1.07 - 2.01 Å) crystal structures corresponding to the apo form of the protein and complexes with 2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid (MES), AMP and ADPr. We show that the protein undergoes conformational changes to adapt to the ligand in a manner previously observed before for in close homologs from other viruses. We also identify a conserved water molecule that may participate in hydrolysis. This work builds foundations for future structure-based research of the ADRP, including search for potential antiviral therapeutics.

ABSTRACT The genome of the SARS-CoV-2 coronavirus contains 29 proteins, of which 15 are nonstructural. Nsp10 and Nsp16 form a complex responsible for the capping of mRNA at the 5′ terminus. In the methylation reaction the S-adenosyl-L-methionine serves as the donor of the methyl group that is transferred to Cap-0 at the first transcribed nucleotide to create Cap-1. The presence of Cap-1 makes viral RNAs mimic the host transcripts and prevents their degradation. To investigate the 2′-O methyltransferase activity of SARS-CoV-2 Nsp10/16, we applied fixed-target serial synchrotron crystallography (SSX) which allows for physiological temperature data collection from thousands of crystals, significantly reducing the x-ray dose while maintaining a biologically relevant temperature. We determined crystal structures of Nsp10/16 that revealed the states before and after the methylation reaction, for the first time illustrating coronavirus Nsp10/16 complexes with the m7 GpppA m2′-O Cap-1, where 2′OH of ribose is methylated. We compare these structures with structures of Nsp10/16 at 297 K and 100 K collected from a single crystal. This data provide important mechanistic insight and can be used to design small molecules that inhibit viral RNA maturation making SARS-CoV-2 sensitive to host innate response.

Spermidine/spermine N-acetyltransferases (SSATs) and other types of polyamine acetyltransferases (PAATs) acetylate diamines and/or polyamines. These enzymes are evolutionarily related and belong to the Gcn5-related N-acetyltransferase (GNAT) superfamily, yet we lack a fundamental understanding of their substrate specificity and/or promiscuity toward different compounds. Many of these enzymes are known or are predicted to acetylate polyamines, but in the cell there are other types of compounds that contain moieties derived from polyamines that may be the native substrates for these enzymes. To learn more about the identity of substrates that are acetylated, we selected and screened 17 different GNAT enzymes for activity toward a set of structurally diverse compounds that contained different types of amine moieties (e.g., aminopropyl, aminobutyl, etc.). These compounds included diamines, triamines, and polyamines containing primary amino groups, and they had structural diversity with variation of the chain length and presence or absence of internal amino groups and other functional groups. We found 12 of the 17 enzymes acetylated at least one of the compounds. Some enzymes were selective toward acetylating only one compound while others exhibited substrate promiscuity toward numerous compounds. Our experimental results ultimately allowed us to pinpoint specific substrates that could be further investigated to more fully understand substrate specificity versus promiscuity of GNAT enzymes and the role of acetylated small molecules in cells.

SARS-CoV-2 is a member of the coronaviridae family and is the etiological agent of the respiratory Coronavirus Disease 2019. The virus has spread rapidly around the world resulting in over two million cases and nearly 150,000 deaths as of April 17, 2020. Since no treatments or vaccines are available to treat COVID-19 and SARS-CoV-2, respiratory complications derived from the infections have overwhelmed healthcare systems around the world. This virus is related to SARS-CoV-1, the virus that caused the 2002-2004 outbreak of Severe Acute Respiratory Syndrome. In January 2020, the Center for Structural Genomics of Infectious Diseases implemented a structural genomics pipeline to solve the structures of proteins essential for coronavirus replication-transcription. Here we show the first structure of the SARS-CoV-2 nsp10-nsp16 2′-O-methyltransferase complex with S-adenosylmethionine at a resolution of 1.8 Å. This heterodimer complex is essential for capping viral mRNA transcripts for efficient translation and to evade immune surveillance.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.