Symmetrization of contacts in D614G SARS-CoV-2 Spike favors greater probability of infection-capable conformation.

Abstract Protein synthesis by the ribosome involves large-scale rearrangements of the “small” subunit (SSU; ∼1 MDa), which include inter- and intra-subunit rotational motions. With more than 1000 structures of ribosomes and ribosomal subunits now publicly available, it is becoming increasingly difficult to design precise experiments that are based on a comprehensive analysis of all known rotation states. To overcome this limitation, we present the Ribosome Angle Decomposition (RAD) method, where the orientation of each small subunit head and body is described in terms of three angular coordinates (rotation, tilt and tilt direction) and a single translation. To demonstrate the utility of the accompanying software (RADtool) we applied it to all published ribosome and mitoribosome structures. This identified and analyzed 1077 fully-assembled ribosome complexes, as well as 280 isolated small subunits from 48 organisms. The RAD approach quantitatively distinguishes between previously described qualitative rotational features, determines when rotation-only descriptions are insufficient, and shows that tilt-like rearrangements of the SSU head and body are pervasive in both prokaryotic and eukaryotic ribosomes. Together, the presented database and technique provide a robust platform for systematically analyzing, visualizing, and comparing subunit orientations of ribosomes from all kingdoms of life. Accordingly, the RAD resource establishes a common foundation with which structural, simulation, single-molecule and biochemical efforts can precisely interrogate the dynamics of this prototypical molecular machine.

Abstract COVID-19 is a highly infectious respiratory disease caused by the novel coronavirus SARS-CoV-2. It has become a global pandemic and its frequent mutations may pose new challenges for vaccine design. During viral infection, the Spike RBD of SARS-CoV-2 binds the human host cell receptor ACE2, enabling the virus to enter the host cell. Both the Spike and ACE2 are densely glycosylated, and it is unclear how distinctive glycan types may modulate the interaction of RBD and ACE2. Detailed understanding of these determinants is key for the development of novel therapeutic strategies. To this end, we perform extensive all-atom simulations of the (i) RBD-ACE2 complex without glycans, (ii) RBD-ACE2 with oligomannose MAN9 glycans in ACE2, and (iii) RBD-ACE2 with complex FA2 glycans in ACE2. These simulations identify the key residues at the RBD-ACE2 interface that form contacts with higher probabilities, thus providing a quantitative evaluation that complements recent structural studies. Notably, we find that this RBD-ACE2 contact signature is not altered by the presence of different glycoforms, suggesting that RBD-ACE2 interaction is robust. Applying our simulated results, we illustrate how the recently prevalent N501Y mutation may alter specific interactions with host ACE2 that facilitate the virus-host binding. Furthermore, our simulations reveal how the glycan on Asn90 of ACE2 can play a distinct role in the binding and unbinding of RBD. Finally, an energetics analysis shows that MAN9 glycans on ACE2 decrease RBD-ACE2 affinity, while FA2 glycans lead to enhanced binding of the complex. Together, our results provide a more comprehensive picture of the detailed interplay between virus and human receptor, which is much needed for the discovery of effective treatments that aim at modulating the physical-chemical properties of this virus.

Summary The COVID-19 pandemic underwent a rapid transition with the emergence of a SARS-CoV-2 variant that carried the amino acid substitution D614G in the Spike protein that became globally prevalent. The G-form is both more infectious in vitro and associated with increased viral loads in infected people. To gain insight into the mechanism underlying these distinctive characteristics, we employed multiple replicas of microsecond all-atom simulations to probe the molecular-level impact of this substitution on Spike’s closed and open states. The open state enables Spike interactions with its human cellular receptor, ACE2. Here we show that changes in the inter-protomer energetics due to the D614G substitution favor a higher population of infection-capable (open) states. The inter-protomer interactions between S1 and S2 subunits in the open state of the D-form are asymmetric. This asymmetry is resolved in the G-form due to the release of tensile hydrogen bonds resulting in an increased population of open conformations. Thus, the increased infectivity of the G-form is likely due to a higher rate of profitable binding encounters with the host receptor. It is also predicted to be more neutralization sensitive due to enhanced exposure of the receptor binding domain, a key target region for neutralizing antibodies.