The COVID-19 pandemic, caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), is a grave threat to public health and the global economy. SARS-CoV-2 is closely related to the more lethal but less transmissible coronaviruses SARS-CoV-1 and Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV). Here, we have carried out comparative viral-human protein-protein interaction and viral protein localization analyses for all three viruses. Subsequent functional genetic screening identified host factors that functionally impinge on coronavirus proliferation, including Tom70, a mitochondrial chaperone protein that interacts with both SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2 ORF9b, an interaction we structurally characterized using cryo-electron microscopy. Combining genetically validated host factors with both COVID-19 patient genetic data and medical billing records identified molecular mechanisms and potential drug treatments that merit further molecular and clinical study.

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

Electron cryo-microscopy density maps of mouse TMEM16A reconstituted in nanodiscs or solubilized in detergent reveal two functional states of calcium-activated chloride channels. The diverse TMEM16 membrane protein family contains Ca(II)-activated chloride channels, lipid scramblases and cation channels. TMEM16A mediates chloride-ion permeation, which controls neuronal signalling, muscle contraction and numerous other physiological functions. In this issue of Nature, two groups have solved the structure of TMEM16A by using cryo-electron microscopy, providing insights into the function of this channel. Unlike other ligand-gated ion channels, the Ca(II) ion interacts with the pore directly, where a glycine residue acts as a flexible hinge to adjust calcium sensitivity. Raimund Dutzler and colleagues report the structure of the protein in both Ca(II)-free and Ca(II)-bound states, which shows how calcium binding facilitates the structural rearrangements involved in channel activation. In the second Letter, Lily Jan and colleagues present two functional states of TMEM16A in the glycolipid LMNG and in nanodiscs, with one and two Ca(II) ions bound, respectively. The closed conformation observed in nanodiscs is proposed to show channel rundown after prolonged Ca(II) activation. Calcium-activated chloride channels (CaCCs) encoded by TMEM16A1,2,3 control neuronal signalling, smooth muscle contraction, airway and exocrine gland secretion, and rhythmic movements of the gastrointestinal system4,5,6,7. To understand how CaCCs mediate and control anion permeation to fulfil these physiological functions, knowledge of the mammalian TMEM16A structure and identification of its pore-lining residues are essential. TMEM16A forms a dimer with two pores8,9. Previous CaCC structural analyses have relied on homology modelling of a homologue (nhTMEM16) from the fungus Nectria haematococca that functions primarily as a lipid scramblase10,11,12, as well as subnanometre-resolution electron cryo-microscopy12. Here we present de novo atomic structures of the transmembrane domains of mouse TMEM16A in nanodiscs and in lauryl maltose neopentyl glycol as determined by single-particle electron cryo-microscopy. These structures reveal the ion permeation pore and represent different functional states. The structure in lauryl maltose neopentyl glycol has one Ca2+ ion resolved within each monomer with a constricted pore; this is likely to correspond to a closed state, because a CaCC with a single Ca2+ occupancy requires membrane depolarization in order to open (C.J.P. et al., manuscript submitted). The structure in nanodiscs has two Ca2+ ions per monomer and its pore is in a closed conformation; this probably reflects channel rundown, which is the gradual loss of channel activity that follows prolonged CaCC activation in 1 mM Ca2+. Our mutagenesis and electrophysiological studies, prompted by analyses of the structures, identified ten residues distributed along the pore that interact with permeant anions and affect anion selectivity, as well as seven pore-lining residues that cluster near pore constrictions and regulate channel gating. Together, these results clarify the basis of CaCC anion conduction.

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.

ABSTRACT A major bottleneck in structural biology is producing biologically relevant samples at sufficient quantities. This is particularly true for large protein assemblies where conventional techniques of gene overexpression require substantial optimization, hampering structural studies and drug development efforts. Here we describe a method combining CRISPR/Cas gene editing and fluorescence cell sorting to rapidly tag and purify endogenous human proteins from cell lines, enabling structural analysis of native proteins that are properly folded and assembled. We applied this approach to study the human proteasome from HEK cells and rapidly determined structures of major proteasomal complexes. Structures of the PA28-20S complex reveal the native subunit stoichiometry of PA28 and a distinct functional state of the complex. The efficient strategy for tagging and extracting endogenous proteins described here will enable the structural study of many challenging targets and provide more biologically relevant samples for research and therapeutic development.

Abstract Mitochondrial creatine kinases are key players in maintaining energy homeostasis in cells by working in conjunction with cytosolic creatine kinases for energy transport from mitochondria to cytoplasm. High levels of MtCK observed in Her2+ breast cancer and inhibition of breast cancer cell growth by substrate analog, cyclocreatine, indicate dependence of cancer cells on the ‘energy shuttle’ for cell growth and survival. Hence, understanding the key mechanistic features of creatine kinases and their inhibition plays an important role in the development of cancer therapeutics. Herein, we present the mutational and structural investigation on understudied ubiquitous mitochondrial creatine kinase (uMtCK). Our cryo-EM structures and biochemical data on uMtCK showed closure of the loop comprising residue His61 is specific to and relies on creatine binding and the reaction mechanism of phosphoryl transfer depends on electrostatics in the active site. In addition, the previously identified covalent inhibitor CKi showed inhibition in breast cancer BT474 cells, however our biochemical and structural data indicated that CKi is not a potent inhibitor for breast cancer due to strong dependency on the covalent link formation and inability to induce conformational changes upon binding.

The TRPA1 ion channel is a chemosensory receptor that is critical for detecting noxious chemical agents that elicit or exacerbate pain or itch. Here we use structural and electrophysiological methods to elucidate how a broad class of reactive electrophilic irritants activate TRPA1 through a two-step cysteine modification mechanism that promotes local conformational changes leading to widening of the selectivity filter to enhance calcium permeability and opening of a cytoplasmic gate. We also identify a calcium binding pocket that is remarkably conserved across TRP channel subtypes and accounts for all aspects of calcium-dependent TRPA1 regulation, including potentiation, desensitization, and activation by metabotropic receptors. These findings provide a structural basis for understanding how endogenous or exogenous chemical agents activate a broad-spectrum irritant receptor directly or indirectly through a cytoplasmic second messenger.

Cryo-EM samples prepared using the traditional methods often suffer from too few particles, poor particle distribution, or strongly biased orientation, or damage from the air-water interface. Here we report that functionalization of graphene oxide (GO) coated grids with amino groups concentrates samples on the grid with improved distribution and orientation. By introducing a PEG spacer, particles are kept away from both the GO surface and the air-water interface, protecting them from potential denaturation.

New proteasomes are produced to accommodate increases in cellular catabolic demand and prevent the accumulation of cytotoxic proteins. Formation of the proteasomal 20S core complex relies on the function of the five chaperones PAC1-4 and POMP. To understand how these chaperones facilitate proteasome assembly, we tagged the endogenous chaperones using CRISPR/Cas gene editing and examined the chaperone-bound complexes by cryo-EM. We observed an early α-ring intermediate subcomplex that is stabilized by PAC1-4, which transitions to β-ring assembly upon dissociation of PAC3/PAC4 and rearrangement of the PAC1 N-terminal tail. Completion of the β-ring and dimerization of half-proteasomes repositions critical lysine K33 to trigger cleavage of the β pro-peptides, leading to the concerted dissociation of POMP and PAC1/PAC2 to yield mature 20S proteasomes. This study reveals structural insights into critical points along the assembly pathway of the human proteasome and provides a molecular blueprint for 20S biogenesis.