Resveratrol, a polyphenol in red wine, has been reported as a calorie restriction mimetic with potential antiaging and antidiabetogenic properties. It is widely consumed as a nutritional supplement, but its mechanism of action remains a mystery. Here, we report that the metabolic effects of resveratrol result from competitive inhibition of cAMP-degrading phosphodiesterases, leading to elevated cAMP levels. The resulting activation of Epac1, a cAMP effector protein, increases intracellular Ca2+ levels and activates the CamKKβ-AMPK pathway via phospholipase C and the ryanodine receptor Ca2+-release channel. As a consequence, resveratrol increases NAD+ and the activity of Sirt1. Inhibiting PDE4 with rolipram reproduces all of the metabolic benefits of resveratrol, including prevention of diet-induced obesity and an increase in mitochondrial function, physical stamina, and glucose tolerance in mice. Therefore, administration of PDE4 inhibitors may also protect against and ameliorate the symptoms of metabolic diseases associated with aging.

We report the x-ray crystal structure of human topoisomerase I covalently joined to double-stranded DNA and bound to the clinically approved anticancer agent Topotecan. Topotecan mimics a DNA base pair and binds at the site of DNA cleavage by intercalating between the upstream (−1) and downstream (+1) base pairs. Intercalation displaces the downstream DNA, thus preventing religation of the cleaved strand. By specifically binding to the enzyme–substrate complex, Topotecan acts as an uncompetitive inhibitor. The structure can explain several of the known structure–activity relationships of the camptothecin family of anticancer drugs and suggests that there are at least two classes of mutations that can produce a drug-resistant enzyme. The first class includes changes to residues that contribute to direct interactions with the drug, whereas a second class would alter interactions with the DNA and thereby destabilize the drug-binding site.

Human topoisomerase I (top1) is the molecular target of a diverse set of anticancer compounds, including the camptothecins, indolocarbazoles, and indenoisoquinolines. These compounds bind to a transient top1−DNA covalent complex and inhibit the resealing of a single-strand nick that the enzyme creates to relieve superhelical tension in duplex DNA. (Hertzberg, R. P.; et al. Biochem. 1989, 28, 4629−4638. Hsiang, Y. H.; et al. J. Biol. Chem 1985, 260, 14873−14878. Champoux, J. J. Annu. Rev. Biochem. 2001, 70, 369−413. Stewart, L.; et al. Science 1998, 729, 1534−1541.) We report the X-ray crystal structures of the human top1−DNA complex bound with camptothecin and representative members of the indenoisoquinoline and indolocarbazole classes of top1 poisons. The planar nature of all three structurally diverse classes allows them to intercalate between DNA base pairs at the site of single-strand cleavage. All three classes of compounds have a free electron pair near Arg364, a residue that if mutated confers resistance to all three classes of drugs. The common intercalative binding mode is augmented by unexpected chemotype-specific contacts with amino acid residues Asn352 and Glu356, which adopt alternative side-chain conformations to accommodate the bound compounds. These new X-ray structures explain how very different molecules can stabilize top1−DNA covalent complexes and will aid the rational design of completely novel structural classes of anticancer drugs.

The covalent joining of topoisomerases to DNA is normally a transient step in the reaction cycle of these important enzymes. However, under a variety of circumstances, the covalent complex is converted to a long-lived or dead-end product that can result in chromosome breakage and cell death. We have discovered and partially purified an enzyme that specifically cleaves the chemical bond that joins the active site tyrosine of topoisomerases to the 3' end of DNA. The reaction products made by the purified enzyme on a variety of model substrates indicate that the enzyme cleanly hydrolyzes the tyrosine-DNA phosphodiester linkage, thereby liberating a DNA terminated with a 3' phosphate. The wide distribution of this phosphodiesterase in eukaryotes and its specificity for tyrosine linked to the 3' end but not the 5' end of DNA suggest that it plays a role in the repair of DNA trapped in complexes involving eukaryotic topoisomerase I.

Selection of aptamers from nucleic acid libraries by in vitro evolution represents a powerful method of identifying high-affinity ligands for a broad range of molecular targets. Nevertheless, a sizeable fraction of proteins remain difficult targets due to inherently limited chemical diversity of nucleic acids. We have exploited synthetic nucleotide modifications that confer protein-like diversity on a nucleic acid scaffold, resulting in a new generation of binding reagents called SOMAmers (Slow Off-rate Modified Aptamers). Here we report a unique crystal structure of a SOMAmer bound to its target, platelet-derived growth factor B (PDGF-BB). The SOMAmer folds into a compact structure and exhibits a hydrophobic binding surface that mimics the interface between PDGF-BB and its receptor, contrasting sharply with mainly polar interactions seen in traditional protein-binding aptamers. The modified nucleotides circumvent the intrinsic diversity constraints of natural nucleic acids, thereby greatly expanding the structural vocabulary of nucleic acid ligands and considerably broadening the range of accessible protein targets.

Genomic surveillance of monkeypox virus (MPXV) during the 2022 outbreak has been mainly focused on single nucleotide polymorphism (SNP) changes. DNA viruses, including MPXV, have a lower SNP mutation rate than RNA viruses due to higher fidelity replication machinery. We identified a large genomic rearrangement in a MPXV sequence from a 2022 case in the state of Minnesota (MN), USA, from an abnormal, uneven MPXV read mapping coverage profile in whole-genome sequencing (WGS) data. We further screened WGS data of 206 U.S. MPXV samples and found seven (3.4 percent) sequenced genomes contained similar abnormal read coverage profiles that suggested putative large deletions or genomic rearrangements. Here, we present three MPXV genomes containing deletions ranging from 2.3 to 15 kb and four genomes containing more complex rearrangements. Five genomic changes were each only seen in one sample, but two sequences from linked cases shared an identical 2.3 kb deletion in the 3’ terminal region. All samples were positive using VAC1 and Clade II (formerly West African)-specific MPXV diagnostic tests; however, large deletions and genomic rearrangements like the ones reported here have the potential to result in viruses in which the target of a PCR diagnostic test is deleted. The emergence of genomic rearrangements during the outbreak may have public health implications and highlight the importance of continued genomic surveillance.

Recent advances in AI-based methods have revolutionized the field of structural biology. Concomitantly, high-throughput sequencing and functional genomics technologies have enabled the detection and generation of variants at an unprecedented scale. However, efficient tools and resources are needed to link these two disparate data types - to "map" variants onto protein structures, to better understand how the variation causes disease and thereby design therapeutics. Here we present the Genomics 2 Proteins Portal (G2P; g2p.broadinstitute.org/): a human proteome-wide resource that maps 19,996,443 genetic variants onto 42,413 protein sequences and 77,923 structures, with a comprehensive set of structural and functional features. Additionally, the G2P portal generalizes the capability of linking genomics to proteins beyond databases by allowing users to interactively upload protein residue-wise annotations (variants, scores, etc.) as well as the protein structure to establish the connection. The portal serves as an easy-to-use discovery tool for researchers and scientists to hypothesize the structure-function relationship between natural or synthetic variations and their molecular phenotype.