Emerging evidence suggests that host glycans influence severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection. Here, we reveal that the receptor-binding domain (RBD) of the spike (S) protein on SARS-CoV-2 recognizes oligosaccharides containing sialic acid (Sia), with preference for monosialylated gangliosides. Gangliosides embedded within an artificial membrane also bind to the RBD. The monomeric affinities (Kd = 100–200 μM) of gangliosides for the RBD are similar to another negatively charged glycan ligand of the RBD proposed as a viral co-receptor, heparan sulfate (HS) dp2–dp6 oligosaccharides. RBD binding and infection of SARS-CoV-2 pseudotyped lentivirus to angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2)-expressing cells is decreased following depletion of cell surface Sia levels using three approaches: sialyltransferase (ST) inhibition, genetic knockout of Sia biosynthesis, or neuraminidase treatment. These effects on RBD binding and both pseudotyped and authentic SARS-CoV-2 viral entry are recapitulated with pharmacological or genetic disruption of glycolipid biosynthesis. Together, these results suggest that sialylated glycans, specifically glycolipids, facilitate viral entry of SARS-CoV-2. Mass spectrometric profiling of a glycan library reveals that sialylated glycans, especially sialic acid-containing gangliosides, interact with the RBD of the SARS-CoV-2 spike protein and are involved in ACE2-dependent viral infection.

Abstract Emerging evidence suggests that host glycans influence infection by SARS-CoV-2. Here, we reveal that the receptor-binding domain (RBD) of the spike (S)-protein on SARS-CoV-2 recognizes oligosaccharides containing sialic acid (SA), with preference for the oligosaccharide of monosialylated gangliosides. Gangliosides embedded within an artificial membrane also bind the RBD. The monomeric affinities ( K d = 100-200 μM) of gangliosides for the RBD are similar to heparan sulfate, another negatively charged glycan ligand of the RBD proposed as a viral coreceptor. RBD binding and infection of SARS-CoV-2 pseudotyped lentivirus to ACE2-expressing cells is decreased upon depleting cell surface SA level using three approaches: sialyltransferase inhibition, genetic knock-out of SA biosynthesis, or neuraminidase treatment. These effects on RBD binding and pseudotyped viral entry are recapitulated with pharmacological or genetic disruption of glycolipid biosynthesis. Together, these results suggest that sialylated glycans, specifically glycolipids, facilitate viral entry of SARS-CoV-2.

Outbreaks in the US of highly pathogenic avian influenza virus (H5N1) in dairy cows have been occurring for months creating new possibilities for direct contact between the virus and humans. Eisfeld et al. examined the pathogenicity and transmissibility of a bovine HPAI H5N1 virus isolated from New Mexico in a series of in vitro and in vivo assays. They found the virus has a dual human- and avian virus-like receptor-binding specificity as measured in a solid phase glycan binding assay. Here, we examined the receptor specificity of a bovine HPAI H5N1 virus (A/bovine/OH/B24OSU-432/2024, H5N1, clade 2.3.4.4b) employing four different assays including glycan array technology, bio-layer interferometry (BLI), a solid phase capture assay and hemagglutination of glycan remodeled erythrocytes. As controls, well characterized avian (A/Vietnam/1203/2004, H5N1, clade 1) and human (A/CA/04/2009, H1N1) IAVs were included that bind alpha2,3- and alpha2,6-sialosides, respectively. We found that A/bovine/OH/B24OSU-432/2024 preferentially binds to avian type receptors (alpha2,3-sialosides). Furthermore, sequence alignments showed that A/bovine has maintained amino acids in its HA associated with alpha2,3-sialoside (avian) receptor specificity. We conclude that while we find no evidence that A/bovine has acquired human virus receptor binding specificity, ongoing efforts must be placed on monitoring for this trait.

ABSTRACT Severe acute respiratory syndrome-related coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is causing an unprecedented global pandemic demanding the urgent development of therapeutic strategies. Microarray binding experiments using an extensive heparan sulfate (HS) oligosaccharide library showed that the receptor binding domain (RBD) of the spike of SARS-CoV-2 can bind HS in a length-and sequence-dependent manner. Hexa- and octa-saccharides composed of IdoA2S-GlcNS6S repeating units were identified as optimal ligands. Surface plasma resonance (SPR) showed the SARS-CoV-2 spike protein binds with much higher affinity to heparin (K D = 55 nM) compared to the RBD (K D = 1 μM) alone. We also found that heparin does not interfere in angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) binding or proteolytic processing of the spike. Our data supports a model in which HS functions as the point of initial attachment for SARS-CoV-2 infection. Tissue staining studies using biologically relevant tissues indicate that heparan sulfate proteoglycan (HSPG) is a critical attachment factor for the virus. Collectively, our results highlight the potential of using HS oligosaccharides as a therapeutic agent by inhibiting SARS-CoV-2 binding to target cells.

Abstract Heparan sulfate (HS) have domain structures in which regions that are substantially modified by epimerization and sulfation (NS domains) are interspersed by unmodified fragments (NA domains). There is data to support that the domain structure of HS can regulate protein binding, however, such a binding mode has been difficult to probe. Here, we report a chemoenzymatic methodology that can provide HS oligosaccharides composed of two or more NS domains separated by NA domains of different length. It is based on the chemical synthesis of a sulfated HS oligosaccharide that enzymatically could be extended by various GlcA-GlcNAc units and terminated in a GlcNAc-6N 3 moiety. HS oligosaccharides having an azide and alkyne moiety could assembled by copper catalyzed alkyne-azide cycloaddition (CuAAC) to give compounds having various NS domains separated by unsulfated regions. Competition binding studies showed that the length of an NA domain modulates the binding of the chemokines CCL5 and CXCL8.

Abstract Human metapneumovirus (hMPV) is an important cause of acute viral respiratory infection. As the only target of neutralizing antibodies, the hMPV fusion (F) protein has been a major focus for vaccine development and targeting by drugs and monoclonal antibodies (mAbs). While X-ray structures of trimeric pre-fusion and post-fusion hMPV F proteins from genotype A, and monomeric pre-fusion hMPV F protein from genotype B have been determined, structural data for the post-fusion conformation for genotype B is lacking. We determined the crystal structure of this protein and compared the structural differences of post-fusion hMPV F between hMPV A and B genotypes. We also assessed the receptor binding properties of the hMPV F protein to heparan sulfate. A library of heparan sulfate (HS) oligomers was used to verify the HS binding activity of hMPV F, and several compounds showed binding to predominantly pre-fusion hMPV F, but had limited binding to post-fusion hMPV F. Furthermore, mAbs to antigenic sites III and the 66-87 intratrimeric epitope block heparan binding. In addition, we evaluated the efficacy of post-fusion hMPV B2 F protein as a vaccine candidate in BALB/c mice. Mice immunized with hMPV B2 post-fusion F protein showed a balanced Th1/Th2 immune response and generated neutralizing antibodies against both subgroup A2 and B2 hMPV strains, which protected the mice from hMPV challenge. Antibody competition analysis revealed the antibodies generated by immunization target two known antigenic sites (III and IV) on hMPV F. Overall, this study provides new characteristics of the hMPV F protein informative for vaccine and therapy development. Importance Human metapneumovirus (hMPV) is an important cause of viral respiratory disease. In this paper, we report the X-ray crystal structure of the hMPV fusion (F) protein in the post-fusion conformation from genotype B. We also assessed binding of the hMPV F protein to heparin and heparan sulfate, a previously reported receptor for the hMPV F protein. Furthermore, we determined the immunogenicity and protective efficacy of post-fusion hMPV B2 F protein, which is the first study using a homogenous conformation of the protein. Antibodies generated in response to vaccination give a balanced TH1/TH2 response and target two previously discovered neutralizing epitopes.

Severe traumatic brain injury (sTBI) induced neuronal loss and brain atrophy contribute significantly to long-term disabilities. Brain extracellular matrix (ECM) associated chondroitin sulfate (CS) glycosaminoglycans promote neural stem cell (NSC) maintenance, and CS hydrogel implants have demonstrated the ability to enhance neuroprotection, in preclinical sTBI studies. However, the ability of neuritogenic chimeric peptide (CP) functionalized CS hydrogels in promoting functional recovery, after controlled cortical impact (CCI) and suction ablation (SA) induced sTBI, has not been previously demonstrated. We hypothesized that neuritogenic (CS)CP hydrogels will promote neuritogenesis of human NSCs, and accelerate brain tissue repair and functional recovery in sTBI rats.

ABSTRACT Hydrogels derived from natural sources are commonly used for 3D cell culturing due to their favourable interactions with cells. However, these biomaterials ( e . g . Matrigel) suffer from variations in composition, limited mechanical tunability, the presence of xenogenic components and difficulties of cell retrieval. Semi-synthetic hydrogels are emerging to address these limitations, making these attractive for drug delivery and tissue engineering. Here, we describe a hydrogel platform based on hyaluronic acid (HA) modified by (1R,8S,9S)-bicycle[6.1.0]non-4-yn-9-ylmethanol (BCN) and a cross-linker composed of light sensitive o -nitrobenzyl moieties and polyethylene glycol (PEG) chains terminating in azides. The two components can undergo strain-promoted azide-alkyne cycloaddition (SPAAC) resulting in rapid gel formation. The stiffness of the hydrogel can be modulated by varying the crosslinker ratio and multi-functionalizing is possible by the incorporation of chemical cues modified by an azide. The fast hydrogelation enables easy encapsulation of cells and harvesting with preservation of viability is possible be short exposure to UV light. Moreover, it is demonstrated that visible light (405 nm) can soften the hydrogel resulting in phenotypical changes of human Mesenchymal Stromal Cells (hMSCs) co-cultured with endothelial colony-forming cells (ECFCs) with high viability. Our findings highlight that the photosensitive HA-based hydrogel provides a versatile and biocompatible platform for cell culture and tissue engineering applications, offering advantages over traditional 3D cell culturing platforms.

Aberrant regulation of metabolic kinases by altered redox homeostasis is a major contributing factor in aging and disease such as diabetes. However, the biochemical mechanisms by which metabolic kinases are regulated under oxidative stress is poorly understood. In this study, we demonstrate that the catalytic activity of a conserved family of Fructosamine-3-kinases (FN3Ks), which are evolutionarily related to eukaryotic protein kinases (ePKs), are regulated by redox active cysteines in the kinase domain. By solving the crystal structure of FN3K homolog from Arabidopsis thaliana (AtFN3K), we demonstrate that it forms an unexpected strand-exchange dimer in which the ATP binding P-loop and adjoining beta strands are swapped between two chains in the dimer. This dimeric configuration is characterized by strained inter-chain disulfide bonds that stabilize the P-loop in an extended conformation and tethers the substrate-binding lobes in a unique inactive conformation. Mutational analysis and solution studies confirm that the strained disulfides function as redox 'switches' to reversibly regulate FN3K activity and dimerization. Consistently, we find that human FN3K, which contains an equivalent P-loop Cys, is also redox sensitive, whereas ancestral bacterial FN3K homologs, which lack a P-loop Cys, are not. Furthermore, CRISPR knockout of FN3K in human HepG2 cells results in significant upregulation of redox metabolites including glutathione. We propose that redox regulation evolved progressively in FN3Ks in response to changing cellular redox conditions. Our studies provide important new insights into the origin and evolution of redox regulation in the protein kinase superfamily and open new avenues for targeting human FN3K in diabetic complications.

Heparin and heparan sulfate (Hp/HS) are linear complex glycosaminoglycans which are involved in diverse biological processes. The structural complexity brings difficulties in separation, making the study of structure-function relationships challenging. Here we present a separation method for Hp/HS oligosaccharide fractionation with cross-compatible solvent and conditions, combining size exclusion chromatography (SEC), ion-pair reversed phase chromatography (IPRP), and hydrophilic interaction chromatography (HILIC) as three orthogonal separation methods that do not require desalting or extensive sample handling. With this method, the final eluent is suitable for structure-function relationship studies, including tandem mass spectrometry and microarray printing. Our data indicate that high resolution is achieved on both IPRP and HILIC for Hp/HS isomers. In addition, the fractions co-eluted in IPRP could be further separated by HILIC, with both separation dimensions capable of resolving some isomeric oligosaccharides. We demonstrate this method using both unpurified reaction products from isomeric synthetic hexasaccharides and an octasaccharide fraction from enoxaparin, identifying isomers resolved by this multi-dimensional separation method. We demonstrate both structural analysis by MS, as well as functional analysis by microarray printing and screening using a prototypical Hp/HS binding protein: basic-fibroblast growth factor (FGF2). Collectively, this method provides a strategy for efficient Hp/HS structure-function characterization.