Nanobodies that neutralize Monoclonal antibodies that bind to the spike protein of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) show therapeutic promise but must be produced in mammalian cells and need to be delivered intravenously. By contrast, single-domain antibodies called nanobodies can be produced in bacteria or yeast, and their stability may enable aerosol delivery. Two papers now report nanobodies that bind tightly to spike and efficiently neutralize SARS-CoV-2 in cells. Schoof et al. screened a yeast surface display of synthetic nanobodies and Xiang et al. screened anti-spike nanobodies produced by a llama. Both groups identified highly potent nanobodies that lock the spike protein in an inactive conformation. Multivalent constructs of selected nanobodies achieved even more potent neutralization. Science , this issue p. 1473 , p. 1479

Abstract 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.

The essential architectural protein HMGB1 increases accessibility of nucleosomal DNA and counteracts the effects of linker histone H1. However, HMGB1 is less abundant than H1 and binds nucleosomes more weakly raising the question of how HMGB1 effectively competes with H1. Here, we show that HMGB1 rescues H1's inhibition of nucleosomal DNA accessibility without displacing H1. HMGB1 also increases the dynamics of condensed, H1-bound chromatin. Cryo-EM shows that HMGB1 binds at internal locations on a nucleosome and locally distorts the DNA. These sites, which are away from the binding site of H1, explain how HMGB1 and H1 co-occupy a nucleosome. Our findings lead to a model where HMGB1 counteracts the activity of H1 by distorting nucleosomal DNA and by contacting the H1 C-terminal tail. Compared to direct competition, nucleosome co-occupancy by HMGB1 and H1 allows a greater diversity of dynamic chromatin states and may be generalizable to other chromatin regulators.

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.

Abstract Sirtuin 6 (SIRT6) is a multifaceted protein deacetylase/deacylase and a major target for small-molecule modulators of longevity and cancer. In the context of chromatin, SIRT6 removes acetyl groups from histone H3 in nucleosomes, but the molecular basis for its nucleosomal substrate preference is unknown. Our cryo-electron microscopy structure of human SIRT6 in complex with the nucleosome shows that the catalytic domain of SIRT6 pries DNA from the nucleosomal entry-exit site and exposes the histone H3 N-terminal helix, while the SIRT6 zinc-binding domain binds to the histone acidic patch using an arginine anchor. In addition, SIRT6 forms an inhibitory interaction with the C-terminal tail of histone H2A. The structure provides insights into how SIRT6 can deacetylate both H3 K9 and H3 K56. Teaser The structure of the SIRT6 deacetylase/nucleosome complex suggests how the enzyme acts on both histone H3 K9 and K56 residues.

Single-particle cryo-EM is widely used to determine enzyme-nucleosome complex structures. However, cryo-EM sample preparation remains challenging and inconsistent due to complex denaturation at the air-water interface (AWI). To address this issue, we developed graphene-oxide-coated EM grids functionalized with either single-stranded DNA (ssDNA) or thiol-poly(acrylic acid-co-styrene) (TAASTY) co-polymer. These grids protect complexes between the chromatin remodeler SNF2h and nucleosomes from the AWI and facilitated collection of high-quality micrographs of intact SNF2h-nucleosome complexes in the absence of crosslinking. The data yields maps ranging from 2.3 to 3 Å in resolution. 3D variability analysis reveals nucleotide-state linked conformational changes in SNF2h bound to a nucleosome. In addition, the analysis provides structural evidence for asymmetric coordination between two SNF2h protomers acting on the same nucleosome. We envision these grids will enable similar detailed structural analyses for other enzyme-nucleosome complexes and possibly other protein-nucleic acid complexes in general.

ATP-dependent chromatin remodeling enzymes mobilize nucleosomes, but how such mobilization affects chromatin condensation is unclear. Here, we investigate effects of two major remodelers, ACF and RSC using chromatin condensates and single-molecule footprinting. We find that both remodelers inhibit the formation of condensed chromatin. However, the remodelers have distinct effects on pre-formed chromatin condensates. ACF spaces nucleosomes without de-condensing the chromatin, explaining how ACF maintains nucleosome organization in transcriptionally repressed genomic regions. In contrast, RSC catalyzes ATP-dependent de-condensation of chromatin. Surprisingly, RSC also drives micron-scale movements of entire condensates. These newly uncovered activities of RSC explain its central role in transcriptional activation. The biological importance of remodelers may thus reflect both their effects on nucleosome mobilization and the corresponding consequences on chromatin dynamics at the mesoscale.