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.

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.

First step of gene expression is transcribing the genetic information stored in DNA to RNA by the transcription machinery including RNA polymerase (RNAP). In Escherichia coli, a primary σ70 factor form the RNAP holoenzyme to express housekeeping genes. The σ70 contains a large insertion at between the conserved regions 1.2 and 2.1, the σ non-conserved region (σNCR), but its function remains to be elucidated. In this study, we determined the cryo-EM structures of the E. coli RNAP σ70 holoenzyme and its complex with promoter DNA (open complex, RPo) at 4.2 and 5.75 Å resolutions, respectively, to reveal native conformations of RNAP and DNA. The RPo structure presented here found an interaction between R157 residue in the σNCR and promoter DNA just upstream of the -10 element, which was not observed in a previously determined E. coli RNAP transcription initiation complex (RPo plus short RNA) structure by X-ray crystallography due to restraint of crystal packing effect. Disruption of the σNCR and DNA interaction by the amino acid substitution (R157E) influences the DNA opening around the transcription start site and therefore decreases the transcription activity of RNAP. We propose that the σNCR and DNA interaction is conserved in proteobacteria and RNAP in other bacteria replace its role with a transcription factor.

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.

Viruses thrive by exploiting the cells they infect but must also produce viral proteins to replicate and infect other cells. As a consequence, they are also susceptible to exploitation by defective versions of themselves that do not produce such proteins. A defective viral genome with deletions in protein-coding genes could still replicate in cells coinfected with full-length viruses, and even replicate faster due to its shorter size, interfering with the replication of the virus. We have created a synthetic defective interfering version of SARS-CoV-2, the virus causing the recent Covid-19 pandemic, assembling parts of the viral genome that do not code for any functional protein but enable it to be replicated and packaged. This synthetic defective genome replicates three times faster than SARS-CoV-2 in coinfected cells, and interferes with it, reducing the viral load of a cell by half in 24 hours. The synthetic genome is transmitted as efficiently as the full-length genome, confirming the location of the putative packaging signal of SARS-CoV-2. A version of such a synthetic construct could be used as a self-promoting antiviral therapy: by enabling replication of the synthetic genome, the virus promotes its own demise. Graphic summary