Drug discovery campaigns against Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) are beginning to target the viral RNA genome 1, 2 . The frameshift stimulation element (FSE) of the SARS-CoV-2 genome is required for balanced expression of essential viral proteins and is highly conserved, making it a potential candidate for antiviral targeting by small molecules and oligonucleotides 3-6 . To aid global efforts focusing on SARS-CoV-2 frameshifting, we report exploratory results from frameshifting and cellular replication experiments with locked nucleic acid (LNA) antisense oligonucleotides (ASOs), which support the FSE as a therapeutic target but highlight difficulties in achieving strong inactivation. To understand current limitations, we applied cryogenic electron microscopy (cryo-EM) and the Ribosolve 7 pipeline to determine a three-dimensional structure of the SARS-CoV-2 FSE, validated through an RNA nanostructure tagging method. This is the smallest macromolecule (88 nt; 28 kDa) resolved by single-particle cryo-EM at subnanometer resolution to date. The tertiary structure model, defined to an estimated accuracy of 5.9 Å, presents a topologically complex fold in which the 5' end threads through a ring formed inside a three-stem pseudoknot. Our results suggest an updated model for SARS-CoV-2 frameshifting as well as binding sites that may be targeted by next generation ASOs and small molecules.

Abstract Development of a safe and effective SARS-CoV-2 vaccine is a public health priority. We designed subunit vaccine candidates using self-assembling ferritin nanoparticles displaying one of two multimerized SARS-CoV-2 spikes: full-length ectodomain (S-Fer) or a C-terminal 70 amino-acid deletion (SΔC-Fer). Ferritin is an attractive nanoparticle platform for production of vaccines and ferritin-based vaccines have been investigated in humans in two separate clinical trials. We confirmed proper folding and antigenicity of spike on the surface of ferritin by cryo-EM and binding to conformation-specific monoclonal antibodies. After a single immunization of mice with either of the two spike ferritin particles, a lentiviral SARS-CoV-2 pseudovirus assay revealed mean neutralizing antibody titers at least 2-fold greater than those in convalescent plasma from COVID-19 patients. Additionally, a single dose of SΔC-Fer elicited significantly higher neutralizing responses as compared to immunization with the spike receptor binding domain (RBD) monomer or spike ectodomain trimer alone. After a second dose, mice immunized with SΔC-Fer exhibited higher neutralizing titers than all other groups. Taken together, these results demonstrate that multivalent presentation of SARS-CoV-2 spike on ferritin can notably enhance elicitation of neutralizing antibodies, thus constituting a viable strategy for single-dose vaccination against COVID-19.

Abstract Breakthroughs in single-particle cryo-electron microscopy (cryo-EM) technology have made near-atomic resolution structure determination possible. Here, we report a ∼1.35-Å structure of apoferritin reconstructed from images recorded on a Gatan K3 or a Thermo Fisher Falcon 4 detector in a commonly available 300-kV Titan Krios microscope (G3i) equipped with or without a Gatan post-column energy filter. Our results demonstrate that the atomic-resolution structure determination can be achieved by single-particle cryo-EM with a fraction of a day of automated data collection. These structures resolve unambiguously each heavy atom (C, N, O, and S) in the amino acid side chains with an indication of hydrogen atoms’ presence and position, as well as the unambiguous existence of multiple rotameric configurations for some residues. We also develop a statistical and chemical based protocol to assess the positions of the water molecules directly from the cryo-EM map. In addition, we have introduced a B’ factor equivalent to the conventional B factor traditionally used by crystallography to annotate the atomic resolution model for determined structures. Our findings will be of immense interest among protein and medicinal scientists engaging in both basic and translational research.

Abstract Circular RNAs (circRNAs), with their crucial roles in gene regulation and disease development, have become a rising star in the RNA world. A lot of previous wet-lab studies focused on the interaction mechanisms between circRNAs and RNA-binding proteins (RBPs), as the knowledge of circRNA-RBP association is very important for understanding functions of circRNAs. Recently, the abundant CLIP-Seq experimental data has made the large-scale identification and analysis of circRNA-RBP interactions possible, while no computational tool based on machine learning has been developed yet. We present a new deep learning-based method, CRIP ( C irc R NAs I nteract with P roteins), for the prediction of RBP binding sites on circRNAs, using only the RNA sequences. In order to fully exploit the sequence information, we propose a stacked codon-based encoding scheme and a hybrid deep learning architecture, in which a convolutional neural network (CNN) learns high-level abstract features and a recurrent neural network (RNN) learns long dependency in the sequences. We construct 37 datasets including sequence fragments of binding sites on circRNAs, and each set corresponds to one RBP. The experimental results show that the new encoding scheme is superior to the existing feature representation methods for RNA sequences, and the hybrid network outperforms conventional classifiers by a large margin, where both the CNN and RNN components contribute to the performance improvement. To the best of our knowledge, CRIP is the first machine learning-based tool specialized in the prediction of circRNA-RBP interactions, which is expected to play an important role for large-scale function analysis of circRNAs.

Human coronavirus NL63 (HCoV-NL63) is an enveloped pathogen of the family Coronaviridae that spreads worldwide and causes up to 10% of all annual respiratory diseases. HCoV-NL63 is typically associated with mild upper respiratory symptoms in children, elderly and immunocompromised individuals. It has also been shown to cause severe lower respiratory illness. NL63 shares ACE2 as a receptor for viral entry with SARS-CoV and SARS-CoV-2. Here we present the in situ structure of HCoV-NL63 spike (S) trimer at 3.4-A resolution by single-particle cryo-EM imaging of vitrified virions without chemical fixative. It is structurally homologous to that obtained previously from the biochemically purified ectodomain of HCoV-NL63 S trimer, which displays a 3-fold symmetric trimer in a single conformation. In addition to previously proposed and observed glycosylation sites, our map shows density at other amino acid positions as well as differences in glycan structures. The domain arrangement within a protomer is strikingly different from that of the SARS-CoV-2 S and may explain their different requirements for activating binding to the receptor. This structure provides the basis for future studies of spike proteins with receptors, antibodies, or drugs, in the native state of the coronavirus particles.

Abstract Anthrax is a severe bacterial infection caused by Bacillus anthracis , which produces a tripartite toxin that includes protective antigen (PA), lethal factor (LF) and edema factor (EF). A series of dominant-negative mutations have been previously identified that prevent the heptameric PA prepore from forming the pH-induced, membrane spanning beta-barrel pore that is required for translocation of EF and LF to the cytoplasm of the infected cell. Here we show that the dominant negative D425A mutation stalls the formation of the pore at a reversible intermediate maturation state, which exhibits many of the structural aspects of the pore but fails to form the phi(ϕ)-clamp and beta-barrel structure needed for full pore maturation. Overall, this structure reveals that ϕ-clamp and beta-barrel pore formation are later steps in the pathway to pore formation, thereby providing a regulatory mechanism to prevent premature translocation of EF and LF.

The discovery and design of biologically important RNA molecules is dramatically outpacing three-dimensional structural characterization. To address this challenge, we present Ribosolve, a hybrid method integrating moderate-resolution cryo-EM maps, chemical mapping, and Rosetta computational modeling, and demonstrate its application to thirteen previously unknown 119- to 338-nucleotide protein-free RNA-only structures: full-length Tetrahymena ribozyme, hc16 ligase with and without substrate, full-length V. cholerae and F. nucleatum glycine riboswitch aptamers with and without glycine, Mycobacterium SAM-IV riboswitch with and without S-adenosylmethionine, and computer-designed spinach-TTR-3, eterna3D-JR_1, and ATP-TTR-3 with and without AMP. Blind challenges, prospective compensatory mutagenesis, internal controls, and simulation benchmarks validate the Ribosolve models and establish that modeling convergence is quantitatively predictive of model accuracy. These results demonstrate that RNA-only 3D structure determination can be rapid and routine.

Abstract Precursor ribosomal RNA (pre-rRNA) processing is a key step in ribosome biosynthesis and involves numerous RNases. A HEPN nuclease Las1 and a polynucleotide kinase Grc3 assemble into a tetramerase responsible for rRNA maturation. Here, we report the structures of full-length Saccharomyces cerevisiae and Cyberlindnera jadinii Las1-Grc3 complexes, and Cyberlindnera jadinii Las1. The Las1-Grc3 structures show that the central coiled coil domain of Las1 facilitates pre-rRNA binding and cleavage, while the Grc3 C-terminal loop motif directly binds to the HEPN active center of Las1 and regulates pre-rRNA cleavage. Structural comparison between Las1 and Las1-Grc3 complex exhibits that Grc3 binding induces conformational rearrangements of catalytic residues associated with HEPN nuclease activation. Biochemical assays identify that Las1 processes pre-rRNA at the two specific sites (C2 and C2′), which greatly facilitates rRNA maturation. Our structures and specific pre-rRNA cleavage findings provide crucial insights into the mechanism and pathway of pre-rRNA processing in ribosome biosynthesis.

CryoEM density maps are now at the point where resolvability of individual atoms can be achieved. However, resolvability is not necessarily uniform throughout the map. We introduce a quantitative parameter to characterize the resolvability of individual atoms in cryoEM maps, the map Q-score. Q-scores can be calculated for atoms in proteins, nucleic acids, water, ligands, and other solvent atoms, using models fitted to or derived from cryoEM maps. Q-scores can also be averaged to represent larger features such as entire residues and nucleotides. Averaged over entire models, Q-scores correlate very well with the estimated resolution of cryoEM maps for both protein and RNA. Assuming the models they are calculated from are well-fitted to the map, Q-scores can thus be used as another measure to indicate resolvability of features in cryoEM maps at various scales, from entire complexes down to individual atoms. Q-score analysis of multiple cryoEM maps of the same proteins derived from different labs confirms reproducibility of structural features down to water and ion atoms.

Objective: To directionally-differentiate dermis-derived mesenchymal stem cells (DMSCs) into vascular endothelial cells (VECs) in vitro, providing an experimental basis for studies on the pathogenesis and treatment of vascular diseases. Methods: After separation by adherent culture, VEC line supernatant, vascular endothelial growth factor (VEGF), bone morphogenetic protein-4 and hypoxia were used for the differentiation of VECs from DMSCs. The cell type was authenticated by flow cytometry, matrigel angiogenesis assay in vitro, and immunofluorescent staining during differentiation. The VEGF concentration was investigated by enzyme-linked immunosorbent assay. Results: After 28 days of differentiation, the cell surface marker CD31 was significantly positive (80%-90%) by flow cytometry in the VEC line-conditioned culture, which was significantly higher than in the other groups. Differentiated DMSCs had the ability to ingest Dil-ac-LDL and vascularize in the conditioned culture, but not in the other groups. In the VEC line supernatant, the concentration of VEGF was very low. The VEGF concentration changed along with the differentiation into VECs in the medium of the conditioned culture group. Conclusion: VEC line supernatant can induce the differentiation of DMSCs into VECs, possibly through the pathway except VEGF.