The nonstructural protein 3 (NSP3) of the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) contains a conserved macrodomain enzyme (Mac1) that is critical for pathogenesis and lethality. While small molecule inhibitors of Mac1 have great therapeutic potential, at the outset of the COVID-19 pandemic there were no well-validated inhibitors for this protein nor, indeed, the macrodomain enzyme family, making this target a pharmacological orphan. Here, we report the structure-based discovery and development of several different chemical scaffolds exhibiting low- to sub-micromolar affinity for Mac1 through iterations of computer-aided design, structural characterization by ultra-high resolution protein crystallography, and binding evaluation. Potent scaffolds were designed with in silico fragment linkage and by ultra-large library docking of over 450 million molecules. Both techniques leverage the computational exploration of tangible chemical space and are applicable to other pharmacological orphans. Overall, 160 ligands in 119 different scaffolds were discovered, and 152 Mac1-ligand complex crystal structures were determined, typically to 1 Å resolution or better. Our analyses discovered selective and cell-permeable molecules, unexpected ligand-mediated protein dynamics within the active site, and key inhibitor motifs that will template future drug development against Mac1.

Human T cells are central to physiological immune homeostasis, which protects us from pathogens without collateral autoimmune inflammation. They are also the main effectors in most current cancer immunotherapy strategies 1 . Several decades of work have aimed to genetically reprogram T cells for therapeutic purposes 2–5 , but as human T cells are resistant to most standard methods of large DNA insertion these approaches have relied on recombinant viral vectors, which do not target transgenes to specific genomic sites 6, 7 . In addition, the need for viral vectors has slowed down research and clinical use as their manufacturing and testing is lengthy and expensive. Genome editing brought the promise of specific and efficient insertion of large transgenes into target cells through homology-directed repair (HDR), but to date in human T cells this still requires viral transduction 8, 9 . Here, we developed a non-viral, CRISPR-Cas9 genome targeting system that permits the rapid and efficient insertion of individual or multiplexed large (>1 kilobase) DNA sequences at specific sites in the genomes of primary human T cells while preserving cell viability and function. We successfully tested the potential therapeutic use of this approach in two settings. First, we corrected a pathogenic IL2RA mutation in primary T cells from multiple family members with monogenic autoimmune disease and demonstrated enhanced signalling function. Second, we replaced the endogenous T cell receptor ( TCR ) locus with a new TCR redirecting T cells to a cancer antigen. The resulting TCR-engineered T cells specifically recognized the tumour antigen, with concomitant cytokine release and tumour cell killing. Taken together, these studies provide preclinical evidence that non-viral genome targeting will enable rapid and flexible experimental manipulation and therapeutic engineering of primary human immune cells.

The NSP3 macrodomain of SARS CoV 2 (Mac1) removes ADP-ribosylation post-translational modifications, playing a key role in the immune evasion capabilities of the virus responsible for the COVID-19 pandemic. Here, we determined neutron and X-ray crystal structures of the SARS-CoV-2 NSP3 macrodomain using multiple crystal forms, temperatures, and pHs, across the apo and ADP-ribose-bound states. We characterize extensive solvation in the Mac1 active site, and visualize how water networks reorganize upon binding of ADP-ribose and non-native ligands, inspiring strategies for displacing waters to increase potency of Mac1 inhibitors. Determining the precise orientations of active site water molecules and the protonation states of key catalytic site residues by neutron crystallography suggests a catalytic mechanism for coronavirus macrodomains distinct from the substrate-assisted mechanism proposed for human MacroD2. These data provoke a re-evaluation of macrodomain catalytic mechanisms and will guide the optimization of Mac1 inhibitors.

Abstract All smooth muscle cell (SMC) restricted Cre mice recombine floxed alleles in vascular and visceral SMCs. We generated a new tamoxifen-inducible CreER T2 mouse, Itga8-CreER T2 , and compared its activity to the widely used Myh11-CreER T2 mouse. Both CreER T2 mice showed similar activity in vascular SMCs; however, Itga8-CreER T2 displayed limited activity in visceral SMC-containing tissues ( e.g. , intestine). Myh11-CreER T2 (but not Itga8-CreER T2 ) mice displayed high levels of CreER T2 protein, tamoxifen-independent activity, and an altered transcriptome. Whereas Myh11-CreER T2 -mediated knockout of Srf resulted in a lethal intestinal phenotype, loss of Srf with Itga8-CreER T2 ( Srf Itga8 ) revealed viable mice with attenuated vascular SMC contractile gene expression, but no evidence of intestinal pathology. Male and female Srf Itga8 mice presented with vascular contractile incompetence; however, only male Srf Itga8 mice showed systemic changes in blood pressure. These results establish the Itga8-CreER T2 mouse as an alternative to existing SMC Cre strains, including Myh11-CreER T2 , where SMC gene loss results in visceral myopathies that obfuscate accurate phenotyping in vascular SMCs.

Abstract T cell exhaustion limits anti-tumor immunity, but the molecular determinants of this process remain poorly understood. Using a chronic antigen stimulation assay, we performed genome-wide CRISPR/Cas9 screens to systematically discover genetic regulators of T cell exhaustion, which identified an enrichment of epigenetic factors. In vivo CRISPR screens in murine and human tumor models demonstrated that perturbation of several epigenetic regulators, including members of the INO80 and BAF chromatin remodeling complexes, improved T cell persistence in tumors. In vivo paired CRISPR perturbation and single-cell RNA sequencing revealed distinct transcriptional roles of each complex and that depletion of canonical BAF complex members, including Arid1a , resulted in the maintenance of an effector program and downregulation of terminal exhaustion-related genes in tumor-infiltrating T cells. Finally, Arid1a -depletion limited the global acquisition of chromatin accessibility associated with T cell exhaustion and led to improved anti-tumor immunity after adoptive cell therapy. In summary, we provide a comprehensive atlas of the genetic regulators of T cell exhaustion and demonstrate that modulation of the epigenetic state of T cell exhaustion can improve T cell responses in cancer immunotherapy.

Abstract The de novo design of small-molecule-binding proteins has seen exciting recent progress; however, the ability to achieve exquisite affinity for binding small molecules while tuning specificity has not yet been demonstrated directly from computation. Here, we develop a computational procedure that results in the highest affinity binders to date with predetermined relative affinities, targeting a series of PARP1 inhibitors. Two of four designed proteins bound with affinities ranging from < 5 nM to low μM, in a predictable manner. X-ray crystal structures confirmed the accuracy of the designed protein-drug interactions. Molecular dynamics simulations informed the role of water in binding. Binding free-energy calculations performed directly on the designed models are in excellent agreement with the experimentally measured affinities, suggesting that the de novo design of small-molecule-binding proteins with tuned interaction energies is now feasible entirely from computation. We expect these methods to open many opportunities in biomedicine, including rapid sensor development, antidote design, and drug delivery vehicles. One Sentence Summary We use informatic sampling to design low nM drug-binding proteins, and physics-based calculations to accurately predict affinities.

Despite unprecedented efforts, our therapeutic arsenal against SARS-CoV-2 remains limited. The conserved macrodomain 1 (Mac1) in NSP3 is an enzyme exhibiting ADP-ribosylhydrolase activity and a possible drug target. To determine the therapeutic potential of Mac1 inhibition, we generated recombinant viruses and replicons encoding a catalytically inactive NSP3 Mac1 domain by mutating a critical asparagine in the active site. While substitution to alanine (N40A) reduced catalytic activity by ~10-fold, mutations to aspartic acid (N40D) reduced activity by ~100-fold relative to wildtype. Importantly, the N40A mutation rendered Mac1 unstable in vitro and lowered expression levels in bacterial and mammalian cells. When incorporated into SARS-CoV-2 molecular clones, the N40D mutant only modestly affected viral fitness in immortalized cell lines, but reduced viral replication in human airway organoids by 10-fold. In mice, N40D replicated at >1000-fold lower levels compared to the wildtype virus while inducing a robust interferon response; all animals infected with the mutant virus survived infection and showed no signs of lung pathology. Our data validate the SARS-CoV-2 NSP3 Mac1 domain as a critical viral pathogenesis factor and a promising target to develop antivirals.

Continuing recalcitrance to therapy cements pancreatic cancer (PC) as the most lethal malignancy, which is set to become the second leading cause of cancer death in our society. We interrogated the transcriptome, genome, proteome and functional characteristics of 61 novel PC patient-derived cell lines to define novel therapeutic strategies targeting the DNA damage response (DDR) and replication stress. We show that patient-derived cell lines faithfully recapitulate the epithelial component of pancreatic tumors including previously described molecular subtypes. Biomarkers of DDR deficiency, including a novel signature of homologous recombination deficiency, co-segregates with response to platinum and PARP inhibitor therapy in vitro and in vivo. We generated a novel signature of replication stress with potential clinical utility in predicting response to ATR and WEE1 inhibitor treatment. Replication stress and DDR deficiency are independent of each other, creating opportunities for therapy in DDR proficient PC, and post-platinum therapy.

ABSTRACT Immunosuppressive factors in the tumor microenvironment (TME) impair T cell function and limit the anti-tumor immune response. T cell surface receptors that influence interactions and function in the TME are already proven targets for cancer immunotherapy. However, surface proteome remodeling of primary human T cells in response to suppressive forces in the TME has never been characterized systematically. Using a reductionist cell culture approach with primary human T cells and SILAC-based quantitative cell surface capture glycoproteomics, we examined how two immunosuppressive TME factors, regulatory T cells (Tregs) and hypoxia, globally affect the activated CD8 + surface proteome (surfaceome). Surprisingly, the CD8 + /Treg co-culture only modestly affected the CD8 + surfaceome, but did reverse several activation-induced surfaceomic changes. In contrast, hypoxia dramatically altered the CD8 + surfaceome in a manner consistent with both metabolic reprogramming and induction of an immunosuppressed state. The CD4 + T cell surfaceome similarly responded to hypoxia, revealing a novel hypoxia-induced surface receptor program. Our findings are consistent with the premise that hypoxic environments create a metabolic challenge for T cell activation, which may underlie the difficulty encountered in treating solid tumors with immunotherapies. Together, the data presented here provide insight into how suppressive TME factors remodel the T cell surfaceome and represent a valuable resource to inform future therapeutic efforts to enhance T cell function in the TME.

SARS-CoV-2 continues to pose a threat to public health. Current therapeutics remain limited to direct acting antivirals that lack distinct mechanisms of action and are already showing signs of viral resistance. The virus encodes an ADP-ribosylhydrolase macrodomain (Mac1) that plays an important role in the coronaviral lifecycle by suppressing host innate immune responses. Genetic inactivation of Mac1 abrogates viral replication