The recent emergence of a novel coronavirus (SARS-CoV-2) in China has caused significant public health concerns. Recently, ACE2 was reported as an entry receptor for SARS-CoV-2. In this study, we present the crystal structure of the C-terminal domain of SARS-CoV-2 (SARS-CoV-2-CTD) spike (S) protein in complex with human ACE2 (hACE2), which reveals a hACE2-binding mode similar overall to that observed for SARS-CoV. However, atomic details at the binding interface demonstrate that key residue substitutions in SARS-CoV-2-CTD slightly strengthen the interaction and lead to higher affinity for receptor binding than SARS-RBD. Additionally, a panel of murine monoclonal antibodies (mAbs) and polyclonal antibodies (pAbs) against SARS-CoV-S1/receptor-binding domain (RBD) were unable to interact with the SARS-CoV-2 S protein, indicating notable differences in antigenicity between SARS-CoV and SARS-CoV-2. These findings shed light on the viral pathogenesis and provide important structural information regarding development of therapeutic countermeasures against the emerging virus.

An outbreak of coronavirus disease 2019 (COVID-19)1–3, caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2)4, has spread globally. Countermeasures are needed to treat and prevent further dissemination of the virus. Here we report the isolation of two specific human monoclonal antibodies (termed CA1 and CB6) from a patient convalescing from COVID-19. CA1 and CB6 demonstrated potent SARS-CoV-2-specific neutralization activity in vitro. In addition, CB6 inhibited infection with SARS-CoV-2 in rhesus monkeys in both prophylactic and treatment settings. We also performed structural studies, which revealed that CB6 recognizes an epitope that overlaps with angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2)-binding sites in the SARS-CoV-2 receptor-binding domain, and thereby interferes with virus–receptor interactions by both steric hindrance and direct competition for interface residues. Our results suggest that CB6 deserves further study as a candidate for translation to the clinic. Two monoclonal antibodies isolated from a patient with COVID-19 are shown to interfere with SARS-CoV-2–receptor binding, and one displays potent action against this virus in vitro and in a rhesus macaque model.

An antibody defense against COVID-19 One of the responses of the immune system to invading viruses is the production of antibodies. Some of these are neutralizing, meaning that they prevent the virus from being infectious, and can thus be used to treat viral diseases. Wu et al. isolated four neutralizing antibodies from a convalescent coronavirus disease 2019 (COVID-19) patient. Two of the antibodies, B38 and H4, blocked the receptor binding domain (RBD) of the viral spike protein from binding to the cellular receptor, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). The structure of the RBD bound to B38 shows that the B38-binding site overlaps with the binding site for ACE2. Although H4 also blocks RBD binding to ACE2, it binds at a different site, and thus the two antibodies can bind simultaneously. This pair of antibodies could potentially be used together in clinical applications. Science , this issue p. 1274

Abstract The envelope spike (S) proteins of MERS-CoV and SARS-CoV determine the virus host tropism and entry into host cells, and constitute a promising target for the development of prophylactics and therapeutics. Here, we present high-resolution structures of the trimeric MERS-CoV and SARS-CoV S proteins in its pre-fusion conformation by single particle cryo-electron microscopy. The overall structures resemble that from other coronaviruses including HKU1, MHV and NL63 reported recently, with the exception of the receptor binding domain (RBD). We captured two states of the RBD with receptor binding region either buried (lying state) or exposed (standing state), demonstrating an inherently flexible RBD readily recognized by the receptor. Further sequence conservation analysis of six human-infecting coronaviruses revealed that the fusion peptide, HR1 region and the central helix are potential targets for eliciting broadly neutralizing antibodies.

MERS-CoV is a newly emerged coronavirus that is related to SARS-CoV and has proven fatal in half of the people it has infected to date: here the crystal structure of the MERS-CoV receptor binding domain is presented in complex with its receptor on human cells, CD26. By mid-July 2013, 90 cases of infection with the recently emerged SARS-like Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) had been confirmed, including 43 fatalities. ACE2 (angiotensin converting enzyme 2) acts as a cell surface receptor for the SARS coronavirus, but the functional receptor for MERS-CoV is dipeptidyl peptidase 4, also known as CD26. This paper presents the crystal structure of the receptor binding domain of MERS-CoV spike protein, both free and bound to the receptor. The structures reveal a core subdomain homologous to that of the SARS-CoV spike protein, and a unique strand-dominated external receptor binding motif that recognizes CD26. A suitably folded receptor binding domain may have potential as an immunogen for use in a MERS-CoV vaccine. The newly emergent Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) can cause severe pulmonary disease in humans1,2, representing the second example of a highly pathogenic coronavirus, the first being SARS-CoV3. CD26 (also known as dipeptidyl peptidase 4, DPP4) was recently identified as the cellular receptor for MERS-CoV4. The engagement of the MERS-CoV spike protein with CD26 mediates viral attachment to host cells and virus–cell fusion, thereby initiating infection. Here we delineate the molecular basis of this specific interaction by presenting the first crystal structures of both the free receptor binding domain (RBD) of the MERS-CoV spike protein and its complex with CD26. Furthermore, binding between the RBD and CD26 is measured using real-time surface plasmon resonance with a dissociation constant of 16.7 nM. The viral RBD is composed of a core subdomain homologous to that of the SARS-CoV spike protein, and a unique strand-dominated external receptor binding motif that recognizes blades IV and V of the CD26 β-propeller. The atomic details at the interface between the two binding entities reveal a surprising protein–protein contact mediated mainly by hydrophilic residues. Sequence alignment indicates, among betacoronaviruses, a possible structural conservation for the region homologous to the MERS-CoV RBD core, but a high variation in the external receptor binding motif region for virus-specific pathogenesis such as receptor recognition.

Abstract COVID-19 was declared a pandemic on March 11 by WHO, due to its great threat to global public health. The coronavirus main protease (M pro , also called 3CLpro) is essential for processing and maturation of the viral polyprotein, therefore recognized as an attractive drug target. Here we show that a clinically approved anti-HCV drug, Boceprevir, and a pre-clinical inhibitor against feline infectious peritonitis (corona) virus (FIPV), GC376, both efficaciously inhibit SARS-CoV-2 in Vero cells by targeting M pro . Moreover, combined application of GC376 with Remdesivir, a nucleotide analogue that inhibits viral RNA dependent RNA polymerase (RdRp), results in sterilizing additive effect. Further structural analysis reveals binding of both inhibitors to the catalytically active side of SARS-CoV-2 protease M pro as main mechanism of inhibition. Our findings may provide critical information for the optimization and design of more potent inhibitors against the emerging SARS-CoV-2 virus.

Vaccines are urgently needed to control the ongoing pandemic COVID-19 and previously emerging MERS/SARS caused by coronavirus (CoV) infections. The CoV spike receptor-binding domain (RBD) is an attractive vaccine target but is undermined by limited immunogenicity. We describe a dimeric form of MERS-CoV RBD that overcomes this limitation. The RBD-dimer significantly increased neutralizing antibody (NAb) titers compared to conventional monomeric form and protected mice against MERS-CoV infection. Crystal structure showed RBD-dimer fully exposed dual receptor-binding motifs, the major target for NAbs. Structure-guided design further yielded a stable version of RBD-dimer as a tandem repeat single-chain (RBD-sc-dimer) which retained the vaccine potency. We generalized this strategy to design vaccines against COVID-19 and SARS, achieving 10- to 100-fold enhancement of NAb titers. RBD-sc-dimers in pilot scale production yielded high yields, supporting their scalability for further clinical development. The framework of immunogen design can be universally applied to other beta-CoV vaccines to counter emerging threats.

Zika virus (ZIKV), a mosquito-borne flavivirus, is a current global public health concern. The flavivirus envelope (E) glycoprotein is responsible for virus entry and represents a major target of neutralizing antibodies for other flaviviruses. Here, we report the structures of ZIKV E protein at 2.0 Å and in complex with a flavivirus broadly neutralizing murine antibody 2A10G6 at 3.0 Å. ZIKV-E resembles all the known flavivirus E structures but contains a unique, positively charged patch adjacent to the fusion loop region of the juxtaposed monomer, which may influence host attachment. The ZIKV-E-2A10G6 complex structure reveals antibody recognition of a highly conserved fusion loop. 2A10G6 binds to ZIKV-E with high affinity in vitro and neutralizes currently circulating ZIKV strains in vitro and in mice. The E protein fusion loop epitope represents a potential candidate for therapeutic antibodies against ZIKV.

The coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic continues worldwide with many variants arising, some of which are variants of concern (VOCs). A recent VOC, omicron (B.1.1.529), which obtains a large number of mutations in the receptor-binding domain (RBD) of the spike protein, has risen to intense scientific and public attention. Here, we studied the binding properties between the human receptor ACE2 (hACE2) and the VOC RBDs and resolved the crystal and cryoelectron microscopy structures of the omicron RBD-hACE2 complex as well as the crystal structure of the delta RBD-hACE2 complex. We found that, unlike alpha, beta, and gamma, omicron RBD binds to hACE2 at a similar affinity to that of the prototype RBD, which might be due to compensation of multiple mutations for both immune escape and transmissibility. The complex structures of omicron RBD-hACE2 and delta RBD-hACE2 reveal the structural basis of how RBD-specific mutations bind to hACE2.

The recently reported Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) is phylogenetically closely related to the bat coronaviruses (BatCoVs) HKU4 and HKU5. However, the evolutionary pathway of MERS-CoV is still unclear. A receptor binding domain (RBD) in the MERS-CoV envelope-embedded spike protein specifically engages human CD26 (hCD26) to initiate viral entry. The high sequence identity in the viral spike protein prompted us to investigate if HKU4 and HKU5 can recognize hCD26 for cell entry. We found that HKU4-RBD, but not HKU5-RBD, binds to hCD26, and pseudotyped viruses embedding HKU4 spike can infect cells via hCD26 recognition. The structure of the HKU4-RBD/hCD26 complex revealed a hCD26-binding mode similar overall to that observed for MERS-RBD. HKU4-RBD, however, is less adapted to hCD26 than MERS-RBD, explaining its lower affinity for receptor binding. Our findings support a bat origin for MERS-CoV and indicate the need for surveillance of HKU4-related viruses in bats.