Abstract SARS-CoV-2 enters host cells through an interaction between the spike glycoprotein and the angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) receptor. Directly preventing this interaction presents an attractive possibility for suppressing SARS-CoV-2 replication. Here, we report the isolation and characterization of an alpaca-derived single domain antibody fragment, Ty1, that specifically targets the receptor binding domain (RBD) of the SARS-CoV-2 spike, directly preventing ACE2 engagement. Ty1 binds the RBD with high affinity, occluding ACE2. A cryo-electron microscopy structure of the bound complex at 2.9 Å resolution reveals that Ty1 binds to an epitope on the RBD accessible in both the ‘up’ and ‘down’ conformations, sterically hindering RBD-ACE2 binding. While fusion to an Fc domain renders Ty1 extremely potent, Ty1 neutralizes SARS-CoV-2 spike pseudovirus as a 12.8 kDa nanobody, which can be expressed in high quantities in bacteria, presenting opportunities for manufacturing at scale. Ty1 is therefore an excellent candidate as an intervention against COVID-19.

Inflammatory response induced by microglia plays a critical role in the demise of neuronal populations in neuroinflammatory diseases. Although the role of toll-like receptor 4 (TLR4) in microglia's inflammatory response is fully acknowledged, little is known about endogenous ligands that trigger TLR4 activation. Here, we report that galectin-3 (Gal3) released by microglia acts as an endogenous paracrine TLR4 ligand. Gal3-TLR4 interaction was further confirmed in a murine neuroinflammatory model (intranigral lipopolysaccharide [LPS] injection) and in human stroke subjects. Depletion of Gal3 exerted neuroprotective and anti-inflammatory effects following global brain ischemia and in the neuroinflammatory LPS model. These results suggest that Gal3-dependent-TLR4 activation could contribute to sustained microglia activation, prolonging the inflammatory response in the brain.

Abstract Systemic AA-amyloidosis is a protein-misfolding disease that is characterized by fibril deposition of serum amyloid-A protein (SAA) in several organs in humans and many animal species. Fibril deposits originate from abnormally high serum levels of SAA during chronic inflammation. In domestic short-hair cats, AA-amyloidosis has only been anecdotally reported and is considered a rare disease. Here we report that an astonishing 57-73% of early deceased short-hair cats kept in three independent shelters suffer from amyloid deposition in the liver, spleen, or kidney. Histopathology and mass spectrometry of post-mortem extracted deposits identified SAA as the major protein source. The duration of stay in the shelters was positively associated with a histological score of AA-amyloidosis (B=0.026, CI95%=0.007-0.046; p=0.010). Presence of SAA fragments in bile secretions raises the possibility of fecal-oral transmission of the disease.

Abstract SARS-CoV-2 is the etiologic agent of COVID-19, currently causing a devastating pandemic for which pharmacological interventions are urgently needed. The virus enters host cells through an interaction between the spike glycoprotein and the angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) receptor. Directly preventing this interaction presents an attractive possibility for suppressing SARS-CoV-2 replication. Here we report the isolation and characterization of an alpaca-derived single domain antibody fragment, Ty1, that specifically targets the receptor binding domain (RBD) of the SARS-CoV-2 spike, directly preventing ACE2 engagement. The nanobody binds with high affinity in the low nM range to the RBD, occluding ACE2. A cryo-electron microscopy structure of the bound complex at 2.9 Å resolution reveals that Ty1 binds to an epitope on the RBD accessible in both the ‘up’ and ‘down’ conformations and that Ty1 sterically hinders RBD-ACE2 binding. This 12.8 kDa nanobody does not need an Fc domain to neutralize SARS-CoV-2, and can be expressed in high quantities in bacteria, presenting opportunities for manufacturing at scale. Ty1 is therefore an excellent candidate as an intervention against COVID-19.

Abstract Chemokines engage in heterodimeric interactions to activate or dampen their cognate receptors in inflammatory conditions. The chemokine CXCL12 forms with the alarmin HMGB1 a patho-physiologically relevant heterocomplex (HMGB1●CXCL12), whose formation synergically promotes the inflammatory response elicited by the G-protein coupled receptor CXCR4. However, the molecular details of complex formation were still elusive. Through an integrative structural approach (NMR, AUC, ITC, MST, SAXS) we show that HMGB1●CXCL12 represents the first fuzzy chemokines heterocomplex reported so far. HMGB1 and CXCL12 form a dynamic equimolar assembly, rather than involving one HMGB1 and two CXCL12 molecules as previously assumed, with structured and unstructured HMGB1 regions recognizing the dimerization surface of CXCL12. We uncover an unexpected role of the acidic intrinsically disordered region (IDR) in heterocomplex formation and provide the first evidence that the acidic IDR facilitates the ternary HMGB1•CXCL12•CXCR4 interaction on the cell surface. Thus, the interaction of HMGB1 with CXCL12 diverges radically from the classical rigid heterophilic chemokine-chemokine dimerization. Simultaneous interference with the multiple interactions within HMGB1●CXCL12 complex formation might offer novel pharmacological strategies to inhibit its detrimental activity in inflammatory conditions.

Light harvesting proteins are optimized to efficiently collect and transfer light energy for photosynthesis. In eukaryotic dinoflagellates these complexes utilize chlorophylls and a special carotenoid, peridinin, and arrange them for efficient excitation energy transfer. At the same time, the carotenoids protect the system by quenching harmful chlorophyll triplet states. Here we use advanced spectroscopic techniques and X-ray structure analysis to investigate excitation energy transfer processes in the major soluble antenna, the peridinin chlorophyll a protein (PCP) from the free living dinoflagellate Heterocapsa pygmaea. We determined the 3D-structure of this complex at high resolution (1.2 Å). For better comparison, we improved the reference structure of this protein from Amphidinium carterae to a resolution of 1.15 Å. We then used fs and ns time-resolved absorption spectroscopy to study the mechanisms of light harvesting, but also of the photoprotective quenching of the chlorophyll triplet state. The photoprotection site was further characterized by Electron Spin Echo Envelope Modulation (ESEEM) spectroscopy to yield information on water molecules involved in triplet-triplet energy transfer. Similar to other PCP complexes, excitation energy transfer from peridinin to chlorophyll is found to be very efficient, with transfer times in the range of 1.6-2.1 ps. One of the four carotenoids, the peridinin 614, is well positioned to quench the chlorophyll triplet state with high efficiency and transfer times in the range of tens of picoseconds. Our structural and dynamic data further support, that the intrinsic water molecule coordinating the chlorophyll Mg ion plays an essential role in photoprotection.

ABSTRACT AA amyloidosis is a systemic disease characterized by deposition of misfolded serum amyloid A protein (SAA) into cross-β amyloid in multiple organs in humans and animals. AA amyloidosis occurs at high SAA serum levels during chronic inflammation. The disease can be transmitted horizontally, likely facilitated by prion-like mechanism, in captive animals leading to extreme disease prevalence, e.g. 70% in captive cheetah and 57-73% in domestic short hair (DSH) cats kept in shelters. Herein, we present the 3.3 Å cryo-EM structure of an AA amyloid extracted post-mortem from the kidney of a DSH cat with renal failure. The structure reveals a cross-β architecture assembled from two 76-residue long proto-filaments. Despite >70% sequence homology to mouse and human SAA, the cat SAA variant adopts a distinct amyloid fold. Based on shared disease profiles and almost identical protein sequences, we propose a similar amyloid fold of deposits identified previously in captive cheetah.

Stress granules (SGs) are cytoplasmic, non-membranous RNA/protein structures that assemble in response to environmental stress. G3BP is a critical SG-nucleating protein, and its ability to regulate SGs has been reported to be regulated by serine 149 phosphorylation. We now report that the constructs engineered to contain non-phosphorylatable and phosphomimetic (G3BP1-S149A and G3BP1-S149E, respectively) mutations used in many studies include additional unintended mutations (A54T/S149A and S99P/S149E) one of which (S99P) is responsible for the effects on SG assembly attributed to S149E. Specifically, the S99P mutation alone reduces SG nucleation and impairs of rescue SG assembly in ΔΔG3BP1/2 U2OS KO cells, challenging the widely-stated conclusion that de-phosphorylation of G3BP1-S149 promotes SG assembly. We used comparative mass spectrometry analysis of: (1) ectopically expressed GFP-G3BP1 in ΔΔG3BP1/2 U2OS KO and (2) endogenous G3BP1 in wild-type U2OS, with and without sodium arsenite treatment, in an attempt to reproduce earlier findings, but found no significant changes in S149 phosphorylation that correlate with arsenite-induced SG formation.

Abstract G3BP is the central hub within the protein-RNA interaction network of stress-induced bio-molecular condensates known as stress granules (SG). The SG-associated proteins Caprin-1 and USP10 exhibit mutually exclusive binding to the structured NTF2-domain of G3BP1, thereby regulating G3BP1-mediated condensation, but with opposite effects: Caprin-1 promotes but USP10 inhibits SG formation. Herein, we present the crystal structure of G3BP1-NTF2 in complex with a Caprin-1 derived short linear motif (SLiM), which provides a molecular understanding for the mutually exclusive binding of USP10 and Caprin-1 to G3BP1. Caprin-1 but not USP10 contacts two G3BP1-NTF2 histidine residues, which was confirmed using biochemical, biophysical and cellular biological binding assays. G3BP1/Caprin-1 interactions disrupted via point mutations resulted in fewer and smaller SG condensates. In addition, biochemical binding assays demonstrated reduced binding of Caprin-1 to G3BP1 at lower pH values. Finally, ratiometric pH sensitive measurements of SGs revealed a substantial drop in pH compared to the adjacent cytosol, suggesting that reduced pH can fine-tune and regulate the G3BP1-mediated interaction network via a NTF2-mediated pH-sensitive SLiM-selection mechanism.