The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) virus enters host cells via an interaction between its Spike protein and the host cell receptor angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). By screening a yeast surface-displayed library of synthetic nanobody sequences, we developed nanobodies that disrupt the interaction between Spike and ACE2. Cryo-electron microscopy (cryo-EM) revealed that one nanobody, Nb6, binds Spike in a fully inactive conformation with its receptor binding domains locked into their inaccessible down state, incapable of binding ACE2. Affinity maturation and structure-guided design of multivalency yielded a trivalent nanobody, mNb6-tri, with femtomolar affinity for Spike and picomolar neutralization of SARS-CoV-2 infection. mNb6-tri retains function after aerosolization, lyophilization, and heat treatment, which enables aerosol-mediated delivery of this potent neutralizer directly to the airway epithelia.

The SARS-CoV-2 protein Nsp2 has been implicated in a wide range of viral processes, but its exact functions, and the structural basis of those functions, remain unknown. Here, we report an atomic model for full-length Nsp2 obtained by combining cryo-electron microscopy with deep learning-based structure prediction from AlphaFold2. The resulting structure reveals a highly-conserved zinc ion-binding site, suggesting a role for Nsp2 in RNA binding. Mapping emerging mutations from variants of SARS-CoV-2 on the resulting structure shows potential host-Nsp2 interaction regions. Using structural analysis together with affinity tagged purification mass spectrometry experiments, we identify Nsp2 mutants that are unable to interact with the actin-nucleation-promoting WASH protein complex or with GIGYF2, an inhibitor of translation initiation and modulator of ribosome-associated quality control. Our work suggests a potential role of Nsp2 in linking viral transcription within the viral replication-transcription complexes (RTC) to the translation initiation of the viral message. Collectively, the structure reported here, combined with mutant interaction mapping, provides a foundation for functional studies of this evolutionary conserved coronavirus protein and may assist future drug design.

Without an effective prophylactic solution, infections from SARS-CoV-2 continue to rise worldwide with devastating health and economic costs. SARS-CoV-2 gains entry into host cells via an interaction between its Spike protein and the host cell receptor angiotensin converting enzyme 2 (ACE2). Disruption of this interaction confers potent neutralization of viral entry, providing an avenue for vaccine design and for therapeutic antibodies. Here, we develop single-domain antibodies (nanobodies) that potently disrupt the interaction between the SARS-CoV-2 Spike and ACE2. By screening a yeast surface-displayed library of synthetic nanobody sequences, we identified a panel of nanobodies that bind to multiple epitopes on Spike and block ACE2 interaction via two distinct mechanisms. Cryogenic electron microscopy (cryo-EM) revealed that one exceptionally stable nanobody, Nb6, binds Spike in a fully inactive conformation with its receptor binding domains (RBDs) locked into their inaccessible down-state, incapable of binding ACE2. Affinity maturation and structure-guided design of multivalency yielded a trivalent nanobody, mNb6-tri, with femtomolar affinity for SARS-CoV-2 Spike and picomolar neutralization of SARS-CoV-2 infection. mNb6-tri retains stability and function after aerosolization, lyophilization, and heat treatment. These properties may enable aerosol-mediated delivery of this potent neutralizer directly to the airway epithelia, promising to yield a widely deployable, patient-friendly prophylactic and/or early infection therapeutic agent to stem the worst pandemic in a century.

Abstract Neurodegenerative diseases (NDs) are characterized by the formation of amyloid filaments that adopt disease-specific conformations in the brain. Recently developed small molecules hold promise as diagnostics and possible therapeutics for NDs, but their binding mechanisms to amyloid filaments remain unknown. Here, we used cryo–electron microscopy (cryo-EM) to determine a 2.7 Å structure of Alzheimer’s disease patient-derived tau paired-helical filaments incubated with the GTP-1 PET probe. GTP-1 is bound stoichiometrically along an exposed cleft of each protofilament in a stacked arrangement that matches the fibril’s symmetry. Multiscale modeling revealed favorable pi-pi aromatic stacking interactions between GTP-1 molecules that, together with small molecule–protein contacts, result in high affinity binding. This binding mode offers new insight into designing compounds for diagnosis and treatment of specific NDs. One Sentence Summary Cryo-EM structure reveals a novel stacked arrangement of the GTP-1 PET ligand bound to Alzheimer’s disease tau filaments.

Down Syndrome (DS) is a common genetic condition caused by trisomy of chromosome 21. Among the complex clinical features including musculoskeletal, neurological and cardiovascular disabilities, individuals with DS develop progressive dementia and early onset Alzheimer's Disease (AD). This is attributed to the increased gene dosage of amyloid precursor protein (APP), the formation of self-propagating Aβ and tau prion conformers, and the deposition of neurotoxic Aβ plaques and tau neurofibrillary tangles. Tau amyloid fibrils have previously been established to adopt many distinct conformations across different neurodegenerative conditions. Here we characterized 4 DS cases spanning 36 to 63 years in age by spectral confocal imaging with conformation-specific dyes and cryo-electron microscopy (cryo-EM) to determine structures of isolated tau fibrils. High-resolution structures reveal paired helical (PHF) and straight filament (SF) conformations of tau that are identical to those determined from AD. The PHFs and SFs are made of two C-shaped protofilaments with a cross-β/β-helix motif. Similar to AD, most filaments adopt the PHF form, while a minority (∼20%) form SFs. For the youngest individual with no documented dementia samples exhibited sparse tau deposits. To isolate tau for cryo-EM from this challenging sample we employed a novel "affinity grid" method involving a graphene-oxide surface derivatized with anti-tau antibodies. This improved isolation and revealed primarily tau PHFs and a minor population of SSPE type II-like filaments are present at this early age. These findings expand the similarities between AD and DS to the molecular level providing insight into their related pathologies and the potential for targeting common tau filament folds by small molecule therapeutics and diagnostics.

ABSTRACT The SARS-CoV-2 macrodomain (Mac1) within the non-structural protein 3 (Nsp3) counteracts host-mediated antiviral ADP-ribosylation signalling. This enzyme is a promising antiviral target because catalytic mutations render viruses non-pathogenic. Here, we report a massive crystallographic screening and computational docking effort, identifying new chemical matter primarily targeting the active site of the macrodomain. Crystallographic screening of diverse fragment libraries resulted in 214 unique macrodomain-binding fragments, out of 2,683 screened. An additional 60 molecules were selected from docking over 20 million fragments, of which 20 were crystallographically confirmed. X-ray data collection to ultra-high resolution and at physiological temperature enabled assessment of the conformational heterogeneity around the active site. Several crystallographic and docking fragment hits were validated for solution binding using three biophysical techniques (DSF, HTRF, ITC). Overall, the 234 fragment structures presented explore a wide range of chemotypes and provide starting points for development of potent SARS-CoV-2 macrodomain inhibitors.

The SARS-CoV-2 Omicron variant, with 15 mutations in Spike receptor binding domain (Spike-RBD), renders virtually all clinical monoclonal antibodies against WT SARS-CoV-2 ineffective. We recently engineered the SARS-CoV-2 host entry receptor, ACE2, to tightly bind WT-Spike-RBD and prevent viral entry into host cells ("receptor traps"). Here we determine cryo-EM structures of our receptor traps in complex with full length Spike. We develop a multi-model pipeline combining Rosetta protein modeling software and cryo-EM to allow interface energy calculations even at limited resolution and identify interface side chains that allow for high affinity interactions between our ACE2 receptor traps and Spike-RBD. Our structural analysis provides a mechanistic rationale for the high affinity (0.53 - 4.2nM) binding of our ACE2 receptor traps to Omicron-RBD confirmed with biolayer interferometry measurements. Finally, we show that ACE2 receptor traps potently neutralize Omicron- and Delta-pseudotyped viruses, providing alternative therapeutic routes to combat this evolving virus.