We show that SARS-CoV-2 spike protein interacts with both cellular heparan sulfate and angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) through its receptor-binding domain (RBD). Docking studies suggest a heparin/heparan sulfate-binding site adjacent to the ACE2-binding site. Both ACE2 and heparin can bind independently to spike protein in vitro, and a ternary complex can be generated using heparin as a scaffold. Electron micrographs of spike protein suggests that heparin enhances the open conformation of the RBD that binds ACE2. On cells, spike protein binding depends on both heparan sulfate and ACE2. Unfractionated heparin, non-anticoagulant heparin, heparin lyases, and lung heparan sulfate potently block spike protein binding and/or infection by pseudotyped virus and authentic SARS-CoV-2 virus. We suggest a model in which viral attachment and infection involves heparan sulfate-dependent enhancement of binding to ACE2. Manipulation of heparan sulfate or inhibition of viral adhesion by exogenous heparin presents new therapeutic opportunities.

The human microbiota has a close relationship with human disease and it remodels components of the glycocalyx including heparan sulfate (HS). Studies of the severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV-2) spike protein receptor binding domain suggest that infection requires binding to HS and angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) in a codependent manner. Here, we show that commensal host bacterial communities can modify HS and thereby modulate SARS-CoV-2 spike protein binding and that these communities change with host age and sex. Common human-associated commensal bacteria whose genomes encode HS-modifying enzymes were identified. The prevalence of these bacteria and the expression of key microbial glycosidases in bronchoalveolar lavage fluid (BALF) was lower in adult COVID-19 patients than in healthy controls. The presence of HS-modifying bacteria decreased with age in two large survey datasets, FINRISK 2002 and American Gut, revealing one possible mechanism for the observed increase in COVID-19 susceptibility with age. In vitro , bacterial glycosidases from unpurified culture media supernatants fully blocked SARS-CoV-2 spike binding to human H1299 protein lung adenocarcinoma cells. HS-modifying bacteria in human microbial communities may regulate viral adhesion, and loss of these commensals could predispose individuals to infection. Understanding the impact of shifts in microbial community composition and bacterial lyases on SARS-CoV-2 infection may lead to new therapeutics and diagnosis of susceptibility.

We identify the prolyl-tRNA synthetase (PRS) inhibitor halofuginone 1 , a compound in clinical trials for anti-fibrotic and anti-inflammatory applications 2 , as a potent inhibitor of SARS-CoV-2 infection and replication. The interaction of SARS-CoV-2 spike protein with cell surface heparan sulfate (HS) promotes viral entry 3 . We find that halofuginone reduces HS biosynthesis, thereby reducing spike protein binding, SARS-CoV-2 pseudotyped virus, and authentic SARS-CoV-2 infection. Halofuginone also potently suppresses SARS-CoV-2 replication post-entry and is 1,000-fold more potent than Remdesivir 4 . Inhibition of HS biosynthesis and SARS-CoV-2 infection depends on specific inhibition of PRS, possibly due to translational suppression of proline-rich proteins. We find that pp1a and pp1ab polyproteins of SARS-CoV-2, as well as several HS proteoglycans, are proline-rich, which may make them particularly vulnerable to halofuginone's translational suppression. Halofuginone is orally bioavailable, has been evaluated in a phase I clinical trial in humans and distributes to SARS-CoV-2 target organs, including the lung, making it a near-term clinical trial candidate for the treatment of COVID-19.

Summary Severe COVID-19 is associated with epithelial and endothelial barrier dysfunction within the lung as well as in distal organs. While it is appreciated that an exaggerated inflammatory response is associated with barrier dysfunction, the triggers of this pathology are unclear. Here, we report that cell-intrinsic interactions between the Spike (S) glycoprotein of SARS-CoV-2 and epithelial/endothelial cells are sufficient to trigger barrier dysfunction in vitro and vascular leak in vivo , independently of viral replication and the ACE2 receptor. We identify an S-triggered transcriptional response associated with extracellular matrix reorganization and TGF-β signaling. Using genetic knockouts and specific inhibitors, we demonstrate that glycosaminoglycans, integrins, and the TGF-β signaling axis are required for S-mediated barrier dysfunction. Our findings suggest that S interactions with barrier cells are a contributing factor to COVID-19 disease severity and offer mechanistic insight into SARS-CoV-2 triggered vascular leak, providing a starting point for development of therapies targeting COVID-19 pathogenesis.

Abstract DNA, RNA, and proteins are synthesized using template molecules, but glycosylation is not believed to be constrained by a template. However, if cellular environment is the only determinant of glycosylation, all sites should receive the same glycans on average. This template-free assertion is inconsistent with observations of microheterogeneity—wherein each site receives distinct and reproducible glycan structures. Here, we test the assumption of template-free glycan biosynthesis. Through structural analysis of site-specific glycosylation data, we find protein-sequence and structural features that predict specific glycan features. To quantify these relationships, we present a new amino acid substitution matrix that describes “glycoimpact” -- how glycosylation varies with protein structure. High-glycoimpact amino acids co-evolve with glycosites, and glycoimpact is high when estimates of amino acid conservation and variant pathogenicity diverge. We report hundreds of disease variants near glycosites with high-glycoimpact, including several with known links to aberrant glycosylation (e.g., Oculocutaneous Albinism, Jakob-Creutzfeldt disease, Gerstmann-Straussler-Scheinker, and Gaucher’s Disease). Finally, we validate glycoimpact quantification by studying oligomannose-complex glycan ratios on HIV ENV, differential sialylation on IgG3 Fc, differential glycosylation on SARS-CoV-2 Spike, and fucose-modulated function of a tuberculosis monoclonal antibody. In all, we show glycan biosynthesis is accurately guided by specific, genetically-encoded rules, and this presents a plausible refutation to the assumption of template-free glycosylation. Summary Unlike DNA, RNA, and proteins, the dogma describes glycosylation as metabolically determined and unconstrained by template molecules. Without template-based expectations for glycan structures, research is hampered, obscuring how these critical molecules impact the behavior in thousands of human glycoproteins. Here, we challenge the assertion of template-free glycosylation and discover protein-encoded rules for glycan biosynthesis, by quantifying associations between glycan and protein features, which we call “glycoimpact.” We estimate 45-55% of amino acids substitutions will minimally change protein structure, but significantly impact glycosylation. We find that “glycoimpact” influences canonical substitution matrices and genetic variant pathogenicity. We identify thousands of high-glycoimpact pathogenic variants spanning hundreds of diseases, including several linked to aberrant glycosylation including Oculocutaneous Albinism, Prion, and Gaucher’s Disease. We also successfully predict glycosylation in HIV, SARS-CoV-2, and immunoglobulins. Overall, we present rules defining a genetic encoding for glycosylation, enabling glycan prediction and discovery of glycoprotein functions in health and disease.

Glycosylation is described as a non-templated biosynthesis. Yet, the template-free premise is antithetical to the observation that different N-glycans are consistently placed at specific sites. It has been proposed that glycosite-proximal protein structures could constrain glycosylation and explain the observed microheterogeneity. Using site-specific glycosylation data, we trained a hybrid neural network to parse glycosites (recurrent neural network) and match them to feasible N-glycosylation events (graph neural network). From glycosite-flanking sequences, the algorithm predicts most human N-glycosylation events documented in the GlyConnect database and proposed structures corresponding to observed monosaccharide composition of the glycans at these sites. The algorithm also recapitulated glycosylation in Enhanced Aromatic Sequons, SARS-CoV-2 spike, and IgG3 variants, thus demonstrating the ability of the algorithm to predict both glycan structure and abundance. Thus, protein structure constrains glycosylation, and the neural network enables predictive

Abstract We show that SARS-CoV-2 spike protein interacts with cell surface heparan sulfate and angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) through its Receptor Binding Domain. Docking studies suggest a putative heparin/heparan sulfate-binding site adjacent to the domain that binds to ACE2. In vitro, binding of ACE2 and heparin to spike protein ectodomains occurs independently and a ternary complex can be generated using heparin as a template. Contrary to studies with purified components, spike protein binding to heparan sulfate and ACE2 on cells occurs codependently. Unfractionated heparin, non-anticoagulant heparin, treatment with heparin lyases, and purified lung heparan sulfate potently block spike protein binding and infection by spike protein-pseudotyped virus and SARS-CoV-2 virus. These findings support a model for SARS-CoV-2 infection in which viral attachment and infection involves formation of a complex between heparan sulfate and ACE2. Manipulation of heparan sulfate or inhibition of viral adhesion by exogenous heparin may represent new therapeutic opportunities.

Abstract Select prion diseases are characterized by widespread cerebral plaque-like deposits of amyloid fibrils enriched in heparan sulfate (HS), a major extracellular matrix component. HS facilitates fibril formation in vitro , yet how HS impacts fibrillar plaque growth within the brain is unclear. Here we found that prion-bound HS chains are highly sulfated, and that the sulfation is essential for HS accelerating prion conversion in vitro . Using conditional knockout mice to deplete the HS sulfation enzyme, Ndst1 (N-deacetylase, N-sulfotransferase), from neurons or astrocytes, we investigated how reducing HS sulfation impacts survival and prion aggregate distribution during a prion infection. Neuronal Ndst1-depleted mice survived longer and showed fewer and smaller parenchymal plaques, shorter fibrils, and increased vascular amyloid, consistent with enhanced aggregate transit toward perivascular drainage channels. The prolonged survival was strain-dependent, affecting mice infected with extracellular, plaque-forming, but not membrane bound, prion strains. Live PET imaging revealed rapid clearance of prion protein monomers into the CSF in mice expressing unsulfated HS, further suggesting that HS sulfate groups hinder transit of extracellular prion monomers. Our results directly show how a host cofactor slows the spread of prion protein through the extracellular space and identify an enzyme target to facilitate aggregate clearance. Author summary Prions cause a rapidly progressive neurologic disease and death with no curative treatment available. Prion aggregates accumulate exponentially in the brain in affected individuals triggering neuronal loss and neuroinflammation. Yet the additional molecules that facilitate aggregation are largely unknown, and their identification may lead to new therapeutic targets. We have found that prions in the brain preferentially bind to a highly sulfated endogenous polysaccharide, known as heparan sulfate (HS). Here we use genetically modified mice that express poorly sulfated neuron-derived HS, and infect mice with different prions strains. We find that the mice infected with a plaque-forming prion strain show a prolonged survival and fewer plaques compared to the controls. We also found that the prion protein was efficiently transported in the interstitial fluid in mice having poorly sulfated HS, suggesting that the prion protein is more readily cleared from the brain. Our study provides insight into how HS retains prion aggregates in the brain to accelerate disease and indicates the specific HS biosynthetic enzymes to target for enhancing protein clearance.