Abstract Neurodegeneràve diseases such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS) are oten associated with mutàons in proteins that are associated with stress granules. Stress granules are condensates formed by liquid-liquid phase separàon which, when aberrant, can lead to altered condensàon behaviours and disease phenotypes. Here, we identified lipoamide, a small molecule which specifically prevents cytoplasmic condensàon of stress granule proteins. Thermal proteome profiling showed that lipoamide preferentially stabilises intrinsically disordered domain-containing proteins. These include SRSF1 and SFPQ, stress granule proteins necessary for lipoamide activity. The redox state of SFPQ correlates with its condensate-dissolving behaviour, in concordance with the importance of the dithiolane ring for lipoamide activity. In animals, lipoamide ameliorates aging-associated aggregàon of a stress granule reporter, improves neuronal morphology, and recovers motor defects caused by expression of ALS-associated FUS and TDP-43 mutants. In conclusion, lipoamide is a well-tolerated small molecule modulator of stress granule condensàon and dissection of its molecular mechanism identified a cellular pathway for redox regulàon of stress granule formàon.

Abstract Many host pathogen interactions such as human viruses (including non-SARS-coronaviruses) rely on attachment to host cell-surface glycans. There are conflicting reports about whether the Spike protein of SARS-CoV-2 binds to sialic acid commonly found on host cell-surface N-linked glycans. In the absence of a biochemical assay, the ability to analyze the binding of glycans to heavily- modified proteins and resolve this issue is limited. Classical Saturation Transfer Difference (STD) NMR can be confounded by overlapping sugar resonances that compound with known experimental constraints. Here we present ‘universal saturation transfer analysis’ (uSTA), an NMR method that builds on existing approaches to provide a general and automated workflow for studying protein-ligand interactions. uSTA reveals that B-origin-lineage-SARS-CoV-2 spike trimer binds sialoside sugars in an ‘end on’ manner and modelling guided by uSTA localises binding to the spike N-terminal domain (NTD). The sialylated-polylactosamine motif is found on tetraantennary human N-linked-glycoproteins in deeper lung and may have played a role in zoonosis. Provocatively, sialic acid binding is abolished by mutations in some subsequent SARS- CoV-2 variants-of-concern. A very high resolution cryo-EM structure confirms the NTD location and ‘end on’ mode; it rationalises the effect of NTD mutations and the structure-activity relationship of sialic acid analogues. uSTA is demonstrated to be a robust, rapid and quantitative tool for analysis of binding, even in the most demanding systems. Extended Abstract The surface proteins found on both pathogens and host cells mediate entry (and exit) and influence disease progression and transmission. Both types can bear host-generated post- translational modifications such as glycosylation that are essential for function but can confound biophysical methods used for dissecting key interactions. Several human viruses (including non- SARS-coronaviruses) attach to host cell-surface N -linked glycans that include forms of sialic acid (sialosides). There remains, however, conflicting evidence as to if or how SARS-associated coronaviruses might use such a mechanism. Here, we demonstrate quantitative extension of ‘saturation transfer’ protein NMR methods to a complete mathematical model of the magnetization transfer caused by interactions between protein and ligand. The method couples objective resonance-identification via a deconvolution algorithm with Bloch-McConnell analysis to enable a structural, kinetic and thermodynamic analysis of ligand binding beyond previously-perceived limits of exchange rates, concentration or system. Using an automated and openly available workflow this ‘universal saturation transfer’ analysis (uSTA) can be readily-applied in a range of even heavily-modified systems in a general manner to now obtain quantitative binding interaction parameters (K D , k Ex ). uSTA proved critical in mapping direct interactions between natural sialoside sugar ligands and relevant virus-surface attachment glycoproteins – SARS-CoV-2-spike and influenza-H1N1-haemagglutinin variants – by quantitating ligand signal in spectral regions otherwise occluded by resonances from mobile protein glycans (that also include sialosides). In B- origin-lineage-SARS-CoV-2 spike trimer ‘end on’-binding to sialoside sugars was revealed contrasting with ‘extended surface’-binding for heparin sugar ligands; uSTA-derived constraints used in structural modelling suggested sialoside-glycan binding sites in a beta-sheet-rich region of spike N-terminal domain (NTD). Consistent with this, uSTA-glycan binding was minimally- perturbed by antibodies that neutralize the ACE2-binding domain (RBD) but strongly disrupted in spike from the B1.1.7/alpha and B1.351/beta variants-of-concern, which possess hotspot mutations in the NTD. Sialoside binding in B-origin-lineage-NTD was unequivocally pinpointed by cryo-EM to a site that is created from residues that are notably deleted in variants (e.g. H69,V70,Y145 in alpha). An analysis of beneficial genetic variances in cohorts of patients from early 2020 suggests a model in which this site in the NTD of B-origin-lineage-SARS-CoV-2 (but not in alpha/beta-variants) may have exploited a specific sialylated-polylactosamine motif found on tetraantennary human N -linked-glycoproteins in deeper lung. Together these confirm a novel binding mode mediated by the unusual NTD of SARS-CoV-2 and suggest how it may drive virulence and/or zoonosis via modulation of glycan attachment. Since cell-surface glycans are widely relevant to biology and pathology, uSTA can now provide ready, quantitative, widespread analysis of complex, host-derived and post-translationally modified proteins with putative ligands relevant to disease even in previously confounding complex systems.

Abstract All NMR experiments require sequences of RF ‘pulses’ to manipulate nuclear spins. Signal is lost due to non-uniform excitation of nuclear spins resonating at different energies (chemical shifts) and inhomogeneity in the RF actually generated by hardware over the sample volume. Here, we present Seedless, a tool to calculate NMR pulses that compensate for these effects to enhance control of magnetisation and boost signal. The calculations take only a few seconds using an optimised GRadient Ascent Pulse Engineering (GRAPE) implementation, allowing pulses to be generated ‘on-the-fly’, optimised for individual samples and spectrometers. Each calculated pulse requires bands of chemical shift to be identified, over which one of 4 transforms will be performed, selected from a set that covers all commonly used applications: a universal rotation (e.g. 90° about the x axis), including as a special case an identity operation (return spins in the same state as they started), state-to-state (e.g. Z->Y), an XYcite (Z->XY plane), or a novel type, a suppression, that leaves spins minimally perturbed at all times during the pulse. Using imaging experiments we demonstrate our pulses effectively increase the size of the coil volume and effectively increase signal-to-noise in all experiments. We illustrate the approach by devising ultra-broadband pulses (300 ppm excitation pulse for 19 F 1D spectra), a 15 N HSQC with 58% increased S/N (950 MHz spectrometer + cryoprobe), triple resonance biomolecular NMR experiments such as HNCACO with 55% increased S/N (600 MHz spectrometer + RT probe), and a highly efficient pulse sequence for water suppression. The 8 optimised pulse sequences presented required 54 bespoke pulses all calculated on-the-fly. Seedless provides a means to enhance sensitivity in all pulse sequences in a manner that can be tailored to all samples/hardware being used.