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.

The Delta variant of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has outcompeted previously prevalent variants and become a dominant strain worldwide. We report here structure, function and antigenicity of its full-length spike (S) trimer in comparison with those of other variants, including Gamma, Kappa, and previously characterized Alpha and Beta. Delta S can fuse membranes more efficiently at low levels of cellular receptor ACE2 and its pseudotyped viruses infect target cells substantially faster than all other variants tested, possibly accounting for its heightened transmissibility. Mutations of each variant rearrange the antigenic surface of the N-terminal domain of the S protein in a unique way, but only cause local changes in the receptor-binding domain, consistent with greater resistance particular to neutralizing antibodies. These results advance our molecular understanding of distinct properties of these viruses and may guide intervention strategies.

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 Substitution for aspartic acid by glycine at position 614 in the spike (S) protein of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), the causative agent of the ongoing pandemic, appears to facilitate rapid viral spread. The G614 variant has now replaced the D614-carrying virus as the dominant circulating strain. We report here cryo-EM structures of a full-length S trimer carrying G614, which adopts three distinct prefusion conformations differing primarily by the position of one receptor-binding domain (RBD). A loop disordered in the D614 S trimer wedges between domains within a protomer in the G614 spike. This added interaction appears to prevent premature dissociation of the G614 trimer, effectively increasing the number of functional spikes and enhancing infectivity. The loop transition may also modulate structural rearrangements of S protein required for membrane fusion. These findings extend our understanding of viral entry and suggest an improved immunogen for vaccine development.

The current COVID-19 pandemic is caused by the SARS-CoV-2 betacoronavirus, which utilizes its highly glycosylated trimeric Spike protein to bind to the cell surface receptor ACE2 glycoprotein and facilitate host cell entry. We utilized glycomics-informed glycoproteomics to characterize site-specific microheterogeneity of glycosylation for a recombinant trimer Spike mimetic immunogen and for a soluble version of human ACE2. We combined this information with bioinformatic analyses of natural variants and with existing 3D-structures of both glycoproteins to generate molecular dynamics simulations of each glycoprotein alone and interacting with one another. Our results highlight roles for glycans in sterically masking polypeptide epitopes and directly modulating Spike-ACE2 interactions. Furthermore, our results illustrate the impact of viral evolution and divergence on Spike glycosylation, as well as the influence of natural variants on ACE2 receptor glycosylation that, taken together, can facilitate immunogen design to achieve antibody neutralization and inform therapeutic strategies to inhibit viral infection.

Abstract A central tenet in the design of vaccines is the display of native-like antigens in the elicitation of protective immunity. The abundance of N-linked glycans across the SARS-CoV-2 spike protein is a potential source of heterogeneity between the many different vaccine candidates under investigation. Here, we investigate the glycosylation of recombinant SARS-CoV-2 spike proteins from five different laboratories and compare them against infectious virus S protein. We find patterns which are conserved across all samples and this can be associated with site-specific stalling of glycan maturation which act as a highly sensitive reporter of protein structure. Molecular dynamics (MD) simulations of a fully glycosylated spike support s a model of steric restrictions that shape enzymatic processing of the glycans. These results suggest that recombinant spike-based SARS-CoV-2 immunogen glycosylation reproducibly recapitulates signatures of viral glycosylation.

ABSTRACT Memory B cell reserves can generate protective antibodies against repeated SARS-CoV-2 infections, but with an unknown reach from original infection to antigenically drifted variants. We charted memory B cell receptor-encoded monoclonal antibodies (mAbs) from 19 COVID-19 convalescent subjects against SARS-CoV-2 spike (S) and found 7 major mAb competition groups against epitopes recurrently targeted across individuals. Inclusion of published and newly determined structures of mAb-S complexes identified corresponding epitopic regions. Group assignment correlated with cross-CoV-reactivity breadth, neutralization potency, and convergent antibody signatures. mAbs that competed for binding the original S isolate bound differentially to S variants, suggesting the protective importance of otherwise-redundant recognition. The results furnish a global atlas of the S-specific memory B cell repertoire and illustrate properties conferring robustness against emerging SARS-CoV-2 variants.

Abstract Background The rumen microbiota provides essential services to its host and, through its role in ruminant production, contributes to human nutrition and food security. A thorough knowledge of the genetic potential of rumen microbes will provide opportunities for improving the sustainability of ruminant production systems. The availability of gene reference catalogs from gut microbiomes has advanced the understanding of the role of the microbiota in health and disease in humans and other mammals. In this work, we established a catalog of reference prokaryote genes from the bovine rumen. Results Using deep metagenome sequencing we identified 13,825,880 non-redundant prokaryote genes from the bovine rumen. Compared to human, pig and mouse gut metagenome catalogs, the rumen is larger and richer in functions and microbial species associated with the degradation of plant cell wall material and production of methane. Genes encoding enzymes catalyzing the breakdown of plant polysaccharides showed a particularly high richness that is otherwise impossible to infer from available genomes or shallow metagenomics sequencing. The catalog expands by several folds the dataset of carbohydrate-degrading enzymes described in the rumen. Using an independent dataset from a group of 77 cattle fed 4 common dietary regimes, we found that only <0.1% of genes were shared by all animals, which contrast with a large overlap for functions, i.e. 63% for KEGG functions. Different diets induced differences in the relative abundance rather than the presence or absence of genes explaining the great adaptability of cattle to rapidly adjust to dietary changes. Conclusions These data bring new insights into functions, carbohydrate-degrading enzymes and microbes of the rumen that is complementing the available information on microbial genomes. The catalog is a significant biological resource enabling deeper understanding of phenotypes and biological processes and will be expanded as new data is made available.

ABSTRACT How Golgi glycosyltransferases and glycosidases (hereafter glycosyltransferases) localize to the Golgi is still unclear. Here, we first investigated the post-Golgi trafficking of glycosyltransferases. We found that glycosyltransferases can escape the Golgi to the plasma membrane, where they are subsequently endocytosed to the endolysosome. Post-Golgi glycosyltransferases are probably degraded by the ecto-domain shedding. We discovered that most glycosyltransferases are not retrieved from post-Golgi sites, indicating that retention but not retrieval should be the main mechanism for their Golgi localization. We proposed to use the Golgi residence time to study the Golgi retention of glycosyltransferases quantitatively and systematically. Various chimeras between ST6GAL1 and either transferrin receptor or tumor necrosis factor α quantitatively revealed the contributions of three regions of ST6GAL1, namely the N-terminal cytosolic tail, transmembrane domain and ecto-domain, to the Golgi retention. We found that each of the three regions is sufficient to produce a retention in an additive manner. The N-terminal cytosolic tail length negatively affects the Golgi retention of ST6GAL1, similar to what is known of the transmembrane domain. Therefore, long N-terminal cytosolic tail and transmembrane domain can be a Golgi export signal for transmembrane secretory cargos.

Abstract Sensory input converging on the spinal cord contributes to the control of voluntary activity. Although sensory pathways reorganize following spinal cord injury (SCI), the extent to which sensory input from Ia afferents is regulated during voluntary activity after the injury remains largely unknown. To address this question, we examined the soleus H-reflex and conditioning of the H-reflex by stimulating homonymous and heteronymous nerves [depression of the soleus H-reflex evoked by common peroneal nerve stimulation (D1 inhibition) and the monosynaptic Ia facilitation of the soleus H-reflex evoked by femoral nerve stimulation (FN facilitation)] at rest, and during tonic voluntary activity in humans with and without chronic incomplete SCI. We found that during voluntary activity the soleus H-reflex size increased in both groups compared with rest, but to a lesser extent in SCI participants. Compared with rest, the D1 inhibition decreased during voluntary activity in controls but it was still present in SCI participants. Further, the FN facilitation increased in controls but remained unchanged in SCI participants during voluntary activity compared with rest. Changes in the D1 inhibition and FN facilitation were correlated with changes in the H-reflex during voluntary activity, suggesting an association between outcomes. These findings provide the first demonstration that the regulation of Ia afferent input from homonymous and heteronymous nerves is altered during voluntary in humans with SCI, resulting in lesser facilitatory effect on motor neurons.