Antivirals are needed to combat the COVID-19 pandemic, which is caused by SARS-CoV-2. The clinically-proven protease inhibitor Camostat mesylate inhibits SARS-CoV-2 infection by blocking the virus-activating host cell protease TMPRSS2. However, antiviral activity of Camostat mesylate metabolites and potential viral resistance have not been analyzed. Moreover, antiviral activity of Camostat mesylate in human lung tissue remains to be demonstrated.

Antiviral therapy is urgently needed to combat the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, which is caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). The protease inhibitor camostat mesylate inhibits SARS-CoV-2 infection of lung cells by blocking the virus-activating host cell protease TMPRSS2. Camostat mesylate has been approved for treatment of pancreatitis in Japan and is currently being repurposed for COVID-19 treatment. However, potential mechanisms of viral resistance as well as camostat mesylate metabolization and antiviral activity of metabolites are unclear. Here, we show that SARS-CoV-2 can employ TMPRSS2-related host cell proteases for activation and that several of them are expressed in viral target cells. However, entry mediated by these proteases was blocked by camostat mesylate. The camostat metabolite GBPA inhibited the activity of recombinant TMPRSS2 with reduced efficiency as compared to camostat mesylate and was rapidly generated in the presence of serum. Importantly, the infection experiments in which camostat mesylate was identified as a SARS-CoV-2 inhibitor involved preincubation of target cells with camostat mesylate in the presence of serum for 2 h and thus allowed conversion of camostat mesylate into GBPA. Indeed, when the antiviral activities of GBPA and camostat mesylate were compared in this setting, no major differences were identified. Our results indicate that use of TMPRSS2-related proteases for entry into target cells will not render SARS-CoV-2 camostat mesylate resistant. Moreover, the present and previous findings suggest that the peak concentrations of GBPA established after the clinically approved camostat mesylate dose (600 mg/day) will result in antiviral activity.

Abstract The entry of the coronavirus SARS-CoV-2 into human cells can be inhibited by the approved drugs camostat and nafamostat. Here we elucidate the molecular mechanism of these drugs by combining experiments and simulations. In vitro assays confirm the hypothesis that both drugs act by inhibiting the human protein TMPRSS2. As no experimental structure is available, we provide a model of the TMPRSS2 equilibrium structure and its fluctuations by relaxing an initial homology structure with extensive 280 microseconds of all-atom molecular dynamics (MD) and Markov modeling. We describe the binding mode of both drugs with TMPRSS2 in a Michaelis complex (MC) state preceding the formation of a long-lived covalent inhibitory state. We find that nafamostat to has a higher MC population, which in turn leads to the more frequent formation of the covalent complex and thus higher inhibition efficacy, as confirmed in vitro and consistent with previous virus cell entry assays. Our TMPRSS2-drug structures are made public to guide the design of more potent and specific inhibitors.

Abstract Host proteases have been suggested to be crucial for dissemination of MERS, SARS-CoV, and SARS-CoV-2 coronaviruses, but the relative contribution of membrane versus intracellular proteases remains controversial. Transmembrane serine protease 2 (TMPRSS2) is regarded as one of the main proteases implicated in the coronavirus S protein priming, an important step for binding of the S protein to the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor before cell entry. The main cellular location where the SARS-CoV-2 S protein priming occurs remains debatable, therefore hampering the development of targeted treatments. Herein, we identified the human extracellular serine protease inhibitor (serpin) alpha 1 antitrypsin (A1AT) as a novel TMPRSS2 inhibitor. Structural modeling revealed that A1AT docked to an extracellular domain of TMPRSS2 in a conformation that is suitable for catalysis, resembling similar serine protease–inhibitor complexes. Inhibitory activity of A1AT was established in a SARS-CoV-2 viral load system. Notably, plasma A1AT levels were associated with COVID-19 disease severity. Our data support the key role of extracellular serine proteases in SARS-CoV-2 infections and indicate that treatment with serpins, particularly the FDA-approved drug A1AT, may be effective in limiting SARS-CoV-2 dissemination by affecting the surface of the host cells. Summary Delivery of extracellular serine protease inhibitors (serpins) such as A1AT has the capacity to reduce SARS-CoV-2 dissemination by binding and inhibiting extracellular proteases on the host cells, thus, inhibiting the first step in SARS-CoV-2 cell cycle (i.e. cell entry).

Bromodomains (BDs) are small protein modules that interact with acetylated marks in histones. These post-translational modifications are pivotal to regulate gene expression, making BDs promising targets to treat several diseases. While the general structure of BDs is well known, their dynamical features and their interplay with other macromolecules are poorly understood, hampering the rational design of potent and selective inhibitors. Here we combine extensive molecular dynamics simulations, Markov state modeling and structural data to reveal a novel and transiently formed state that is conserved across all BD families. It involves the breaking of two backbone hydrogen bonds that anchor the ZA-loop with the αA helix, opening a cryptic pocket that partially occludes the one associated with histone binding. Our results suggest that this novel state is an allosteric regulatory switch for BDs, potentially related to a recently unveiled BD-DNA binding mode.