The pandemic caused by Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) continues to expand. Papain-like protease (PLpro) is one of two SARS-CoV-2 proteases potentially targetable with antivirals. PLpro is an attractive target because it plays an essential role in cleavage and maturation of viral polyproteins, assembly of the replicase-transcriptase complex, and disruption of host responses. We report a substantive body of structural, biochemical, and virus replication studies that identify several inhibitors of the SARS-CoV-2 enzyme. We determined the high resolution structure of wild-type PLpro, the active site C111S mutant, and their complexes with inhibitors. This collection of structures details inhibitors recognition and interactions providing fundamental molecular and mechanistic insight into PLpro. All compounds inhibit the peptidase activity of PLpro in vitro, some block SARS-CoV-2 replication in cell culture assays. These findings will accelerate structure-based drug design efforts targeting PLpro to identify high-affinity inhibitors of clinical value.

Targeting the main protease of SARS-CoV-2 Inside host cells, the RNA genome of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is translated into two polyproteins that are cleaved to give the individual viral proteins. The main viral protease, known as Mpro or 3CLpro, plays a key role in these cleavages, making it an important drug target. Drayman et al . identified eight drugs that target 3CLpro from a library of 1900 clinically safe drugs. Because of the challenge of working with SARS-CoV-2, they started by screening for drugs that inhibit the replication of a human coronavirus that causes the common cold. They then evaluated the top hits for inhibiting SARS-CoV-2 replication and for inhibiting 3CLpro. Masitinib, a broad antiviral, inhibited the main proteases of coronaviruses and picornaviruses and was effective in reducing SARS-CoV-2 replication in mice. —VV

There is an urgent need for anti-viral agents that treat SARS-CoV-2 infection. The shortest path to clinical use is repurposing of drugs that have an established safety profile in humans. Here, we first screened a library of 1,900 clinically safe drugs for inhibiting replication of OC43, a human beta-coronavirus that causes the common-cold and is a relative of SARS-CoV-2, and identified 108 effective drugs. We further evaluated the top 26 hits and determined their ability to inhibit SARS-CoV-2, as well as other pathogenic RNA viruses. 20 of the 26 drugs significantly inhibited SARS-CoV-2 replication in human lung cells (A549 epithelial cell line), with EC50 values ranging from 0.1 to 8 micromolar. We investigated the mechanism of action for these and found that masitinib, a drug originally developed as a tyrosine-kinase inhibitor for cancer treatment, strongly inhibited the activity of the SARS-CoV-2 main protease 3CLpro. X-ray crystallography revealed that masitinib directly binds to the active site of 3CLpro, thereby blocking its enzymatic activity. Mastinib also inhibited the related viral protease of picornaviruses and blocked picornaviruses replication. Thus, our results show that masitinib has broad anti-viral activity against two distinct beta-coronaviruses and multiple picornaviruses that cause human disease and is a strong candidate for clinical trials to treat SARS-CoV-2 infection.

ABSTRACT The number of new cases world-wide for the COVID-19 disease is increasing dramatically, while efforts to contain Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 is producing varied results in different countries. There are three key SARS-CoV-2 enzymes potentially targetable with antivirals: papain-like protease (PLpro), main protease (Mpro), and RNA-dependent RNA polymerase. Of these, PLpro is an especially attractive target because it plays an essential role in several viral replication processes, including cleavage and maturation of viral polyproteins, assembly of the replicase-transcriptase complex (RTC), and disruption of host viral response machinery to facilitate viral proliferation and replication. Moreover, this enzyme is conserved across different coronaviruses and promising inhibitors have already been discovered for its SARS-CoV variant. Here we report a substantive body of structural, biochemical, and virus replication studies that identify several inhibitors of the enzyme from SARS-CoV-2 in both wild-type and mutant forms. These efforts include the first structures of wild-type PLpro, the active site C111S mutant, and their complexes with inhibitors, determined at 1.60–2.70 Angstroms. This collection of structures provides fundamental molecular and mechanistic insight to PLpro, and critically, illustrates details for inhibitors recognition and interactions. All presented compounds inhibit the peptidase activity of PLpro in vitro , and some molecules block SARS-CoV-2 replication in cell culture assays. These collated findings will accelerate further structure-based drug design efforts targeting PLpro, with the ultimate goal of identifying high-affinity inhibitors of clinical value for SARS-CoV-2.