A newly described coronavirus named severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), which is the causative agent of coronavirus disease 2019 (COVID-19), has infected over 2.3 million people, led to the death of more than 160,000 individuals and caused worldwide social and economic disruption1,2. There are no antiviral drugs with proven clinical efficacy for the treatment of COVID-19, nor are there any vaccines that prevent infection with SARS-CoV-2, and efforts to develop drugs and vaccines are hampered by the limited knowledge of the molecular details of how SARS-CoV-2 infects cells. Here we cloned, tagged and expressed 26 of the 29 SARS-CoV-2 proteins in human cells and identified the human proteins that physically associated with each of the SARS-CoV-2 proteins using affinity-purification mass spectrometry, identifying 332 high-confidence protein-protein interactions between SARS-CoV-2 and human proteins. Among these, we identify 66 druggable human proteins or host factors targeted by 69 compounds (of which, 29 drugs are approved by the US Food and Drug Administration, 12 are in clinical trials and 28 are preclinical compounds). We screened a subset of these in multiple viral assays and found two sets of pharmacological agents that displayed antiviral activity: inhibitors of mRNA translation and predicted regulators of the sigma-1 and sigma-2 receptors. Further studies of these host-factor-targeting agents, including their combination with drugs that directly target viral enzymes, could lead to a therapeutic regimen to treat COVID-19.

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

Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase-II (CaMKII) is unique among protein kinases for its dodecameric assembly and its complex response to Ca2+. The crystal structure of the autoinhibited kinase domain of CaMKII, determined at 1.8 Å resolution, reveals an unexpected dimeric organization in which the calmodulin-responsive regulatory segments form a coiled-coil strut that blocks peptide and ATP binding to the otherwise intrinsically active kinase domains. A threonine residue in the regulatory segment, which when phosphorylated renders CaMKII calmodulin independent, is held apart from the catalytic sites by the organization of the dimer. This ensures a strict Ca2+ dependence for initial activation. The structure of the kinase dimer, when combined with small-angle X-ray scattering data for the holoenzyme, suggests that inactive CaMKII forms tightly packed autoinhibited assemblies that convert upon activation into clusters of loosely tethered and independent kinase domains.

Significance During the ongoing COVID-19 pandemic, protein engineering offers a rapid and powerful approach for building therapeutics to treat severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infections. We use computational design, affinity maturation, and fusion to dimerization domains to engineer “receptor traps” based on wild-type angiotensin-converting enzyme II (ACE2), the target for viral spike-mediated SARS-CoV-2 entry into cells. The optimized ACE2 receptor traps neutralize authentic SARS-CoV-2 infections as effectively as high-affinity antibodies isolated from convalescent patients and also bind viral spike proteins from other coronaviruses known to cause respiratory diseases. ACE2 receptor traps have large binding interfaces and block the entire receptor binding interface, limiting the potential impact of viral escape mutations.

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.

An essential mechanism for SARS-CoV-1 and -2 infection begins with the viral spike protein binding to the human receptor protein angiotensin-converting enzyme II (ACE2). Here we describe a stepwise engineering approach to generate a set of affinity optimized, enzymatically inactivated ACE2 variants that potently block SARS-CoV-2 infection of cells. These optimized receptor traps tightly bind the receptor binding domain (RBD) of the viral spike protein and prevent entry into host cells. We first computationally designed the ACE2-RBD interface using a two-stage flexible protein backbone design process that improved affinity for the RBD by up to 12-fold. These designed receptor variants were affinity matured an additional 14-fold by random mutagenesis and selection using yeast surface display. The highest affinity variant contained seven amino acid changes and bound to the RBD 170-fold more tightly than wild-type ACE2. With the addition of the natural ACE2 collectrin domain and fusion to a human Fc domain for increased stabilization and avidity, the most optimal ACE2 receptor traps neutralized SARS-CoV-2 pseudotyped lentivirus and authentic SARS-CoV-2 virus with half-maximal inhibitory concentrations (IC50) in the 10-100 ng/ml range. Engineered ACE2 receptor traps offer a promising route to fighting infections by SARS-CoV-2 and other ACE2-utilizing coronaviruses, with the key advantage that viral resistance would also likely impair viral entry. Moreover, such traps can be predesigned for viruses with known entry receptors for faster therapeutic response without the need for neutralizing antibodies isolated or generated from convalescent patients.

Abstract Mycolic acids are the signature lipid of mycobacteria and constitute an important physical component of the cell wall, a target of mycobacterial specific antibiotics, and a mediator of M. tuberculosis pathogenesis. Mycolic acids are synthesized in the cytoplasm and are thought to be transported to the cell wall as a trehalose ester by the MmpL3 transporter, an antibiotic target for M. tuberculosis . However, the mechanism by which mycolate synthesis is coupled to transport, and the full MmpL3 transport machinery, is unknown. Here we identify two new components of the MmpL3 transport machinery in mycobacteria. The protein encoded by MSMEG_0736 / Rv0383c is essential for growth of M. smegmatis and M. tuberculosis , is anchored to the cytoplasmic membrane, physically interacts with and colocalizes with MmpL3 in growing cells, and is required for trehalose monomycolate transport to the cell wall. In light of these findings we propose Msmeg_0736/Rv0383c be named “TMM transport factor A”, TtfA. The protein encoded by MSMEG_5308 also interacts with the MmpL3 complex, but is nonessential for growth or TMM transport. However, MSMEG_5308 accumulates with inhibition of MmpL3 mediated TMM transport and stabilizes the MmpL3/TtfA complex, indicating that it stabilizes the transport system during stress. These studies identify two new components of the mycobacterial mycolate transport machinery, an emerging antibiotic target in M. tuberculosis .

Genomic and proteomic screens have identified numerous host factors of SARS-CoV-2, but efficient delineation of their molecular roles during infection remains a challenge. Here we use Perturb-seq, combining genetic perturbations with a single-cell readout, to investigate how inactivation of host factors changes the course of SARS-CoV-2 infection and the host response in human lung epithelial cells. Our high-dimensional data resolve complex phenotypes such as shifts in the stages of infection and modulations of the interferon response. However, only a small percentage of host factors showed such phenotypes upon perturbation. We further identified the NF-κB inhibitor IκBα (NFKBIA), as well as the translation factors EIF4E2 and EIF4H as strong host dependency factors acting early in infection. Overall, our study provides massively parallel functional characterization of host factors of SARS-CoV-2 and quantitatively defines their roles both in virus-infected and bystander cells.