SARS-CoV-2 from alpha to epsilon As battles to contain the COVID-19 pandemic continue, attention is focused on emerging variants of the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) virus that have been deemed variants of concern because they are resistant to antibodies elicited by infection or vaccination or they increase transmissibility or disease severity. Three papers used functional and structural studies to explore how mutations in the viral spike protein affect its ability to infect host cells and to evade host immunity. Gobeil et al . looked at a variant spike protein involved in transmission between minks and humans, as well as the B1.1.7 (alpha), B.1.351 (beta), and P1 (gamma) spike variants; Cai et al . focused on the alpha and beta variants; and McCallum et al . discuss the properties of the spike protein from the B1.1.427/B.1.429 (epsilon) variant. Together, these papers show a balance among mutations that enhance stability, those that increase binding to the human receptor ACE2, and those that confer resistance to neutralizing antibodies. —VV

Abstract The ongoing SARS-CoV-2 (severe acute respiratory syndrome coronavirus 2) pandemic has created urgent needs for intervention strategies to control the crisis. The spike (S) protein of the virus forms a trimer and catalyzes fusion between viral and target cell membranes - the first key step of viral infection. Here we report two cryo-EM structures, both derived from a single preparation of the full-length S protein, representing the prefusion (3.1Å resolution) and postfusion (3.3Å resolution) conformations, respectively. The spontaneous structural transition to the postfusion state under mild conditions is independent of target cells. The prefusion trimer forms a tightly packed structure with three receptor-binding domains clamped down by a segment adjacent to the fusion peptide, significantly different from recently published structures of a stabilized S ectodomain trimer. The postfusion conformation is a rigid tower-like trimer, but decorated by N-linked glycans along its long axis with almost even spacing, suggesting possible involvement in a mechanism protecting the virus from host immune responses and harsh external conditions. These findings advance our understanding of how SARS-CoV-2 enters a host cell and may guide development of vaccines and therapeutics.

Several fast-spreading variants of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) have become the dominant circulating strains that continue to fuel the COVID-19 pandemic despite intensive vaccination efforts throughout the world. We report here cryo-EM structures of the full-length spike (S) trimers of the B.1.1.7 and B.1.351 variants, as well as their biochemical and antigenic properties. Mutations in the B.1.1.7 protein increase the accessibility of its receptor binding domain and also the binding affinity for receptor angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). The enhanced receptor engagement can account for the increased transmissibility and risk of mortality as the variant may begin to infect efficiently infect additional cell types expressing low levels of ACE2. The B.1.351 variant has evolved to reshape antigenic surfaces of the major neutralizing sites on the S protein, rendering complete resistance to some potent neutralizing antibodies. These findings provide structural details on how the wide spread of SARS-CoV-2 enables rapid evolution to enhance viral fitness and immune evasion. They may guide intervention strategies to control the pandemic.

Abstract The nucleotide-binding domain and leucine-rich-repeat (LRR) containing protein 3 with a pyrin domain (NLRP3) is emerging to be a critical intracellular inflammasome sensor of membrane integrity and a highly important clinical target against chronic inflammation. Here we report that the endogenous, stimulus-responsive form of full-length NLRP3 is a 12-16 mer double ring cage held together by LRR-LRR interactions with the pyrin domains shielded within the assembly to avoid premature activation. Surprisingly, this NLRP3 form is predominantly membrane localized, which is consistent with previously noted localization of NLRP3 at various membrane organelles. Structure-guided mutagenesis reveals that trans-Golgi network dispersion into vesicles, an early event observed for all NLRP3 activating stimuli, requires the double ring cages of NLRP3. Double ring-defective NLRP3 mutants further abolish inflammasome punctum formation, caspase-1 processing and cell death. Thus, unlike other inflammasome sensors that are monomeric when inactive, our data uncover a unique NLRP3 oligomer on membrane that is poised to sense diverse signals to induce inflammasome activation.

Summary RADAR is a two-protein bacterial defense system which was reported to defend against phage by ‘editing’ messenger RNA. Here we determine cryo-EM structures of the RADAR defense complex, revealing RdrA as a heptameric, two-layered AAA+ ATPase and RdrB as a dodecameric, hollow complex with twelve surface-exposed deaminase active sites. RdrA and RdrB join to form a giant assembly up to 10 MDa, with RdrA docked as a funnel over the RdrB active site. Surprisingly, our structures reveal a RdrB active site that targets mononucleotides, not RNA. We show that RdrB catalyzes ATP-to-ITP conversion in vitro and induces the accumulation of inosine mononucleotides during phage infection in vivo, limiting phage replication. Our results define ATP mononucleotide deamination as a determinant of RADAR immunity and reveal supramolecular assembly of a nucleotide-modifying machine as a novel mechanism of anti-phage defense.

Abstract The relaxin family peptide receptor 1 (RXFP1) is the receptor for relaxin-2, an important regulator of reproductive and cardiovascular physiology. RXFP1 is a multi-domain G protein-coupled receptor (GPCR) with an ectodomain consisting of an LDLa module and leucine-rich repeats. The mechanism of RXFP1 signal transduction is clearly distinct from that of other GPCRs, but remains very poorly understood. Here, we present the cryo-electron microscopy structure of active-state human RXFP1, bound to a single-chain version of the endogenous agonist relaxin-2 and to the heterotrimeric G s protein. Evolutionary coupling analysis and structure-guided functional experiments reveal that RXFP1 signals through a mechanism of autoinhibition, wherein the receptor’s extracellular loop 2 occupies the orthosteric site in the active state but is inhibited by the ectodomain in the absence of relaxin-2. Our results explain how an unusual GPCR family functions, providing a path to rational drug development targeting the relaxin receptors.

Abstract Porphyromonas gingivalis , an asaccharolytic Bacteroidetes , is a keystone pathogen in human periodontitis that may also contribute to the development of other chronic inflammatory diseases, such as rheumatoid arthritis, cardiovascular disease and Alzheimer’s disease. P. gingivalis utilizes protease-generated peptides derived from extracellular proteins for growth, but how those peptides enter the cell is not clear. Here we identify RagAB as the outer membrane importer for peptides. X-ray crystal structures show that the transporter forms a dimeric RagA 2 B 2 complex with the RagB substrate binding surface-anchored lipoprotein forming a closed lid on the TonB-dependent transporter RagA. Cryo-electron microscopy structures reveal the opening of the RagB lid and thus provide direct evidence for a “pedal bin” nutrient uptake mechanism. Together with mutagenesis, peptide binding studies and RagAB peptidomics, our work identifies RagAB as a dynamic OM oligopeptide acquisition machine with considerable substrate selectivity that is essential for the efficient utilisation of proteinaceous nutrients by P. gingivalis .

Abstract Cryo-EM structures of a KRAS/BRAF/MEK1/14-3-3 complex reveal KRAS bound to the flexible Ras-binding domain of BRAF, captured in two orientations. Autoinhibitory interactions are unperturbed by binding of KRAS and in vitro activation studies confirm that KRAS binding is insufficient to activate BRAF, absent membrane recruitment. These structures illustrate the separability of binding and activation of BRAF by Ras and suggest stabilization of this pre-activation intermediate as an alternative to blocking binding of KRAS.