Summary Emerging variants of concern for the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) can transmit more efficiently and partially evade protective immune responses, thus necessitating continued refinement of antibody therapies and immunogen design. Here we elucidate the structural basis and mode of action for two potent SARS-CoV-2 Spike (S) neutralizing monoclonal antibodies CV3-1 and CV3-25 that remained effective against emerging variants of concern in vitro and in vivo. CV3-1 bound to the (485-GFN-487) loop within the receptor-binding domain (RBD) in the “RBD-up” position and triggered potent shedding of the S1 subunit. In contrast, CV3-25 inhibited membrane fusion by binding to an epitope in the stem helix region of the S2 subunit that is highly conserved among β-coronaviruses. Thus, vaccine immunogen designs that incorporate the conserved regions in RBD and stem helix region are candidates to elicit pan-coronavirus protective immune responses.

Summary Emerging evidence in animal models indicate that both neutralizing activity and Fc- mediated effector functions of neutralizing antibodies contribute to protection against SARS-CoV-2. It is unclear if antibody effector functions alone could protect against SARS-CoV-2. Here we isolated CV3-13, a non-neutralizing antibody from a convalescent individual with potent Fc-mediated effector functions that targeted the N- terminal domain (NTD) of SARS-CoV-2 Spike. The cryo-EM structure of CV3-13 in complex with SAR-CoV-2 spike revealed that the antibody bound from a distinct angle of approach to a novel NTD epitope that partially overlapped with a frequently mutated NTD supersite in SARS-CoV-2 variants. While CV3-13 did not alter the replication dynamics of SARS-CoV-2 in a K18-hACE2 transgenic mouse model, an Fc-enhanced CV3-13 significantly delayed neuroinvasion and death in prophylactic settings. Thus, we demonstrate that efficient Fc-mediated effector functions can contribute to the in vivo efficacy of anti-SARS-CoV-2 monoclonal antibodies in the absence of neutralization.

Abstract Membrane protein structure determination is not only technically challenging but is further complicated by the removal or displacement of lipids, which can result in non-native conformations or a strong preference for certain states at the exclusion of others. This is especially applicable to mechanosensitive channels (MSC’s) that evolved to gate in response to subtle changes in membrane tension transmitted through the lipid bilayer. E. coli MscS, a model bacterial system, is an ancestral member of the large family of MSCs found across all phyla of walled organisms. As a tension sensor, MscS is very sensitive and highly adaptive; it readily opens under super-threshold tension and closes under no tension, but under lower tensions, it slowly inactivates and can only recover when tension is released. However, existing cryo-EM structures do not explain the entire functional gating cycle of open, closed, and inactivated states. A central question in the field has been the assignment of the frequently observed non-conductive conformation to either a closed or inactivated state. Here, we present a 3 Å MscS structure in native nanodiscs obtained with Glyco-DIBMA polymer extraction, eliminating the lipid removal step that is common to all previous structures. Besides the protein in the non-conductive conformation, we observe well-resolved densities of four endogenous phospholipid molecules intercalating between the lipid-facing and pore-lining helices in preferred orientations. Mutations of positively charged residues coordinating these lipids inhibit MscS inactivation, whereas removal of a negative charge near the lipid-filled crevice increases inactivation. The functional data allows us to assign this class of structures to the inactivated state. This structure reveals preserved lipids in their native locations, and the functional effects of their destabilization illustrate a novel inactivation mechanism based on an uncoupling of the peripheral tension-sensing helices from the gate.

Magnesium (Mg

Magnesium ions (Mg 2+ ) play an essential role in cellular physiology. In mitochondria, protein and ATP synthesis and various metabolic pathways are directly regulated by Mg 2+ . MRS2, a magnesium channel located in the inner mitochondrial membrane, mediates the influx of Mg 2+ into the mitochondrial matrix and regulates Mg 2+ homeostasis. Knockdown of MRS2 in human cells leads to reduced uptake of Mg 2+ into mitochondria and disruption of the mitochondrial metabolism. Despite the importance of MRS2, the Mg 2+ translocation and regulation mechanisms of MRS2 are still unclear. Here, using cryo-EM we determined the structure of human MRS2 in the presence and absence of Mg 2+ at 2.8 Å and 3.3 Å, respectively. From the homo-pentameric structures, we identified R332 and M336 as major gating residues, which were then tested using mutagenesis and two cellular divalent ion uptake assays. A network of hydrogen bonds was found connecting the gating residue R332 to the soluble domain, potentially regulating the gate. Two Mg 2+ -binding sites were identified in the MRS2 soluble domain, distinct from the two sites previously reported in CorA, a homolog of MRS2 in prokaryotes. Altogether, this study provides the molecular basis for understanding the Mg 2+ translocation and regulatory mechanisms of MRS2.

Individuals infected with the SARS-CoV-2 Delta variant, lineage B.1.617.2, exhibit faster initial infection with a higher viral load than prior variants, and pseudotyped particles bearing the SARS-CoV-2 Delta variant spike protein induce a faster initial infection rate of target cells compared to those bearing other SARS-CoV-2 variant spikes. Here, we show that pseudotyped particles bearing the Delta variant spike form unique aggregates, as evidenced by negative stain and cryogenic electron microscopy (EM), flow cytometry, and nanoparticle tracking analysis. Viral particles pseudotyped with other SARS-CoV-2 spike variants do not show aggregation by any of these criteria. The contribution to infection kinetics of the Delta spike’s unique property to aggregate is discussed with respect to recent evidence for collective infection by other viruses. Irrespective of this intriguing possibility, spike-dependent aggregation is a new functional parameter of spike-expressing viral particles to evaluate in future spike protein variants.