The gene encoding cytosine deaminase (CD) has been expressed in the human colorectal carcinoma cell line WiDr. Metabolism studies confirm that tumor cells expressing CD convert the very nontoxic prodrug 5-fluorocytosine (5FCyt) to 5-fluorouracil (5FUra) and 5FUra metabolites. Tumor xenografts composed of CD-expressing cells can selectively generate tumor levels of > 400 microM 5FUra when the host mouse is dosed with nontoxic levels of 5FCyt. The selective metabolic conversion of 5FCyt to 5FUra in CD-expressing tumor cells results in the inhibition of thymidylate synthase and incorporation of 5FUra into RNA. 5FUra is also liberated into the surrounding environment when CD-expressing tumor cells are treated with 5FCyt. The liberated 5FUra is able to kill neighboring, non-CD-expressing tumor cells in vitro and in vivo. Most importantly, when only 2% of the tumor mass contains CD-expressing cells (98% non-CD-expressing cells), significant regressions in all tumors are observed when the host mouse is dosed with nontoxic levels of 5FCyt.

1592U89, (-)-(1S,4R)-4-[2-amino-6-(cyclopropylamino)-9H-purin-9-yl]-2-cyclo pentene-1-methanol, is a carbocyclic nucleoside with a unique biological profile giving potent, selective anti-human immunodeficiency virus (HIV) activity. 1592U89 was selected after evaluation of a wide variety of analogs containing a cyclopentene substitution for the 2'-deoxyriboside of natural deoxynucleosides, optimizing in vitro anti-HIV potency, oral bioavailability, and central nervous system (CNS) penetration. 1592U89 was equivalent in potency to 3'-azido-3'-deoxythymidine (AZT) in human peripheral blood lymphocyte (PBL) cultures against clinical isolates of HIV type 1 (HIV-1) from antiretroviral drug-naive patients (average 50% inhibitory concentration [IC50], 0.26 microM for 1592U89 and 0.23 microM for AZT). 1592U89 showed minimal cross-resistance (approximately twofold) with AZT and other approved HIV reverse transcriptase (RT) inhibitors. 1592U89 was synergistic in combination with AZT, the nonnucleoside RT inhibitor nevirapine, and the protease inhibitor 141W94 in MT4 cells against HIV-1 (IIIB). 1592U89 was anabolized intracellularly to its 5'-monophosphate in CD4+ CEM cells and in PBLs, but the di- and triphosphates of 1592U89 were not detected. The only triphosphate found in cells incubated with 1592U89 was that of the guanine analog (-)-carbovir (CBV). However, the in vivo pharmacokinetic, distribution, and toxicological profiles of 1592U89 were distinct from and improved over those of CBV, probably because CBV itself was not appreciably formed from 1592U89 in cells or animals (<2%). The 5'-triphosphate of CBV was a potent, selective inhibitor of HIV-1 RT, with Ki values for DNA polymerases (alpha, beta, gamma, and epsilon which were 90-, 2,900-, 1,200-, and 1,900-fold greater, respectively, than for RT (Ki, 21 nM). 1592U89 was relatively nontoxic to human bone marrow progenitors erythroid burst-forming unit and granulocyte-macrophage CFU (IC50s, 110 microM) and human leukemic and liver tumor cell lines. 1592U89 had excellent oral bioavailability (105% in the rat) and penetrated the CNS (rat brain and monkey cerebrospinal fluid) as well as AZT. Having demonstrated an excellent preclinical profile, 1592U89 has progressed to clinical evaluation in HIV-infected patients.

Summary How viruses from the Coronaviridae family initiate viral RNA synthesis is unknown. Here we show that the SARS-CoV-1 and −2 Ni dovirus R dRp- A ssociated N ucleotidyltransferase (NiRAN) domain on nsp12 uridylates the viral cofactor nsp8, forming a UMP-Nsp8 covalent intermediate that subsequently primes RNA synthesis from a poly(A) template; a protein-priming mechanism reminiscent of Picornaviridae enzymes. In parallel, the RdRp active site of nsp12 synthesizes a pppGpU primer, which primes (-)ssRNA synthesis at the precise genome-poly(A) junction. The guanosine analogue 5’-triphosphate AT-9010 (prodrug: AT-527) tightly binds to the NiRAN and inhibits both nsp8-labeling and the initiation of RNA synthesis. A 2.98 Å resolution Cryo-EM structure of the SARS-CoV-2 nsp12-nsp7-(nsp8) 2 /RNA/NTP quaternary complex shows AT-9010 simultaneously binds to both NiRAN and RdRp active site of nsp12, blocking their respective activities. AT-527 is currently in phase II clinical trials, and is a potent inhibitor of SARS-CoV-1 and −2, representing a promising drug for COVID-19 treatment.

ABSTRACT AT-527, an orally administered double prodrug of a guanosine nucleotide analog, has been shown previously to be highly efficacious and well tolerated in HCV-infected subjects. Herein we report the potent in vitro activity of AT-511, the free base form of AT-527, against several coronaviruses, including SARS-CoV-2, the causative agent of COVID-19. In normal human airway epithelial (HAE) cell preparations, the average concentration of AT-511 required to inhibit replication of SARS-CoV-2 by 90% (EC 90 ) was 0.5 µM, very similar to the EC 90 for AT-511 against HCoV-229E, HCoV-OC43 and SARS-CoV in Huh-7 cells. No cytotoxicity was observed for AT-511 in any of the antiviral assays up to the highest concentration tested (100 µM). Surprisingly, AT-511 was 30-fold less active against MERS-CoV. This differential activity may provide a clue to the apparent unique mechanism of action of the guanosine triphosphate analog formed from AT-527.

Bemnifosbuvir (AT-527) and AT-752 are guanosine analogues currently in clinical trials against several RNA viruses. Here we show that these drugs require a minimal set of 5 cellular enzymes for activation to their common 5'-triphosphate AT-9010, with an obligate order of reactions. AT-9010 selectively inhibits essential viral enzymes, accounting for broad spectrum antiviral potency. Functional and structural data at atomic resolution decipher N6-purine deamination compatible with metabolic activation by human ADALP1. Crystal structures of human HINT1, ADALP1, GUK1, and NDPK at 2.09, 2.44, 1.76, and 1.9 A resolution, respectively, with cognate precursors of AT-9010 illuminate the activation pathway from the orally available bemnifosbuvir to AT-9010, pointing to key drug-protein contacts along the activation pathway. Our work provides a framework to integrate the design of antiviral nucleotide analogues, confronting requirements and constraints associated with activation enzymes along the 5'-triphosphate assembly line.

Abstract Yellow fever virus (YFV) is a zoonotic pathogen re-emerging in parts of the world, causing a viral hemorrhagic fever associated with high mortality rates. While an effective vaccine is available, having an effective antiviral against YFV is critical against unexpected outbreaks, or when vaccination is not recommended. We have previously identified AT-281, the free base of AT-752, an orally available double prodrug of a guanosine nucleotide analog, as a potent inhibitor of YFV in vitro , with a 50% effective concentration (EC 50 ) of 0.31 μM. In hamsters infected with YFV (Jimenez strain), viremia rose about 4 log 10 -fold and serum alanine aminotransferase (ALT) 2-fold compared to sham-infected animals. Treatment with 1000 mg/kg AT-752 for 7 days, initiated 4 h prior to viral challenge, reduced viremia to below the limit of detection by day 4 post infection (pi) and returned ALT to normal levels by day 6 pi. When treatment with AT-752 was initiated 2 days pi, the virus titer and ALT dropped >2 log 10 and 53% by day 4 and 6 pi, respectively. In addition, at 21 days pi, 70 – 100% of the infected animals in the treatment groups survived compared to 0% of the untreated group (p<0.001). Moreover, in vivo formation of the active triphosphate metabolite AT-9010 was measured in the animal tissues, with the highest concentrations in liver and kidney, organs that are vulnerable to the virus. The demonstrated in vivo activity of AT-752 suggests that it is a promising compound for clinical development in the treatment of YFV infection. Author summary Yellow fever virus (YFV) is transmitted by mosquitoes, and its infection can lead to a lethal viral hemorrhagic fever associated with liver damage. While an effective vaccine is available, in places where the vaccination rate is low, in the event of an unexpected outbreak, or where vaccination is not recommended individually, having an effective antiviral treatment is critical. We previously reported that the nucleotide analog prodrug AT-752 potently inhibited the YFV in cultured cells. Here we showed that in hamsters infected with YFV, oral treatment with 1000 mg/kg AT-752 for 7 days reduced the production of infectious virus particles in the blood, and decreased serum alanine aminotransferase, a marker of liver damage, to levels measured in uninfected animals. In addition, at 21 days after infection, 70 – 100% of the infected animals in the treatment groups survived compared to 0% in the untreated group. Moreover, the amount of the active metabolite formed from AT-752 was highest in the livers and kidneys of the treated animals, organs that are targeted by the virus. These results suggest that AT-752 is a promising compound to develop for the treatment of YFV infection.

Bemnifosbuvir (AT-527) and AT-752 are guanosine analogues currently in clinical trials against several RNA viruses. Here, we show that these drugs require a minimal set of 5 cellular enzymes for activation to their common 5′-triphosphate AT-9010, with an obligate order of reactions. AT-9010 selectively inhibits essential viral enzymes, accounting for antiviral potency. Functional and structural data at atomic resolution decipher N 6 -purine deamination compatible with its metabolic activation. Crystal structures of human histidine triad nucleotide binding protein 1, adenosine deaminase-like protein 1, guanylate kinase 1, and nucleoside diphosphate kinase at 2.09, 2.44, 1.76, and 1.9 Å resolution, respectively, with cognate precursors of AT-9010 illuminate the activation pathway from the orally available bemnifosbuvir to AT-9010, pointing to key drug–protein contacts along the activation pathway. Our work provides a framework to integrate the design of antiviral nucleotide analogues, confronting requirements and constraints associated with activation enzymes along the 5′-triphosphate assembly line.