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 positive transcription elongation factor b (P-TEFb) stimulates RNA polymerase elongation by inducing the transition of promoter proximally paused polymerase II into a productively elongating state. P-TEFb itself is regulated by reversible association with various transcription factors/cofactors to form several multisubunit complexes [e.g., the 7SK small nuclear ribonucleoprotein particle (7SK snRNP), the super elongation complexes (SECs), and the bromodomain protein 4 (Brd4)-P-TEFb complex] that constitute a P-TEFb network controlling cellular and HIV transcription. These complexes have been thought to share no components other than the core P-TEFb subunits cyclin-dependent kinase 9 (CDK9) and cyclin T (CycT, T1, T2a, and T2b). Here we show that the AF4/FMR2 family member 1 (AFF1) is bound to CDK9-CycT and is present in all major P-TEFb complexes and that the tripartite CDK9-CycT-AFF1 complex is transferred as a single unit within the P-TEFb network. By increasing the affinity of the HIV-encoded transactivating (Tat) protein for CycT1, AFF1 facilitates Tat's extraction of P-TEFb from 7SK snRNP and the formation of Tat-SECs for HIV transcription. Our data identify AFF1 as a ubiquitous P-TEFb partner and demonstrate that full Tat transactivation requires the complete SEC.

The AF4/FMR2 proteins AFF1 and AFF4 act as a scaffold to assemble the Super Elongation Complex (SEC) that strongly activates transcriptional elongation of HIV-1 and cellular genes. Although they can dimerize, it is unclear whether the dimers exist and function within a SEC in vivo. Furthermore, it is unknown whether AFF1 and AFF4 function similarly in mediating SEC-dependent activation of diverse genes. Providing answers to these questions, our current study shows that AFF1 and AFF4 reside in separate SECs that display largely distinct gene target specificities. While the AFF1-SEC is more potent in supporting HIV-1 transactivation by the viral Tat protein, the AFF4-SEC is more important for HSP70 induction upon heat shock. The functional difference between AFF1 and AFF4 in Tat-transactivation has been traced to a single amino acid variation between the two proteins, which causes them to enhance the affinity of Tat for P-TEFb, a key SEC component, with different efficiency. Finally, genome-wide analysis confirms that the genes regulated by AFF1-SEC and AFF4-SEC are largely non-overlapping and perform distinct functions. Thus, the SEC represents a family of related complexes that exist to increase the regulatory diversity and gene control options during transactivation of diverse cellular and viral genes.

The intrinsically disordered scaffold proteins AFF1/4 and the transcription elongation factors ELL1/2 are core components of the super elongation complex required for HIV-1 proviral transcription. Here we report the 2.0-Å resolution crystal structure of the human ELL2 C-terminal domain bound to its 50-residue binding site on AFF4, the ELLBow. The ELL2 domain has the same arch-shaped fold as the tight junction protein occludin. The ELLBow consists of an N-terminal helix followed by an extended hairpin that we refer to as the elbow joint, and occupies most of the concave surface of ELL2. This surface is important for the ability of ELL2 to promote HIV-1 Tat-mediated proviral transcription. The AFF4-ELL2 interface is imperfectly packed, leaving a cavity suggestive of a potential binding site for transcription-promoting small molecules.

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.

Summary Enteroviruses cause a number of medically relevant and widespread human diseases with no approved antiviral therapies currently available. Host-directed therapies present an enticing option for this diverse genus of viruses. We have previously identified the actin histidine methyltransferase SETD3 as a critical host factor physically interacting with the viral protease 2A. Here, we report the 3.5 Å cryo-EM structure of SETD3 interacting with coxsackievirus B3 2A at two distinct interfaces, including the substrate-binding surface within the SET domain. Structure-function analysis revealed that mutations of key residues in the SET domain resulted in severely reduced binding to 2A and complete protection from enteroviral infection. Our findings provide insight into the molecular basis of the SETD3-2A interaction and a framework for the rational design of host-directed therapeutics against enteroviruses.

The intrinsically disordered scaffold proteins AFF1/4 and the transcription elongation factors ELL1/2 are core components of the superelongation complex required for HIV-1 proviral transcription. We determined the 2.0-Å resolution crystal structure of the human ELL2 C-terminal domain bound to its 50-residue binding site on AFF4, the ELLBow. The ELL2 domain has the same arch-shaped fold as the tight junction protein occludin. The ELLBow consists of an N-terminal helix followed by an extended hairpin that we refer to as the elbow joint, and occupies most of the concave surface of ELL2. This surface is important for the ability of ELL2 to promote HIV-1 Tat-mediated proviral transcription. The AFF4-ELL2 interface is imperfectly packed, leaving a cavity suggestive of a potential binding site for transcription-promoting small molecules.

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 open reading frame 8 (ORF8), an accessory protein of SARS-CoV-2, is prone to deletions and mutations across different viral variants, which was first described in several Singapore variants. The reason why viral evolution favors loss or inactivation of ORF8 is not fully understood, although the effects of ORF8 on inflammation, immune evasion, and disease severity have been described. Here we show using clinical ORF8 deficient viral isolates, virus like particles (VLPs) and viral replicons that ORF8 expression dampens viral particle production. ORF8 physically interacts with the viral Spike protein and induces Golgi fragmentation, overall contributing to less virus particle production. Using systematic ORF8 deletions, we mapped the particle reducing function to its N terminal signal peptide. Interestingly, this part of ORF8 is severely truncated in the recent XBB.1.5 variant, and when restored, suppresses viral particle production in the context of the entire viral genome. Collectively, our data support the model that evolutionary pressure exists to delete ORF8 sequence and expression across SARS-CoV-2 variants to fully enable viral particle production.