Abstract Pandemic coronavirus disease 2019 (COVID-19) is caused by the emerging severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), for which there are no efficacious vaccines or therapeutics that are urgently needed. We expressed three versions of spike (S) proteins—receptor binding domain (RBD), S1 subunit and S ectodomain—in insect cells. RBD appears monomer in solutions, whereas S1 and S associate into homotrimer with substantial glycosylation. The three proteins confer excellent antigenicity with six convalescent COVID-19 patient sera. Cryo-electron microscopy (cryo-EM) analyses indicate that the SARS-CoV-2 S trimer dominate in a unique conformation distinguished from the classic prefusion conformation of coronaviruses by the upper S1 region at lower position ~15 Å proximal to viral membrane. Such conformation is proposed as an early prefusion state for the SARS-CoV-2 spike that may broaden the knowledge of coronavirus and facilitate vaccine development.

Summary Most eukaryotes respire oxygen, using it to generate biomass and energy. Yet, a few organisms lost the capacity to respire. Understanding how they manage biomass and energy production may illuminate the critical points at which respiration feeds into central carbon metabolism and explain possible routes to its optimization. Here we use two related fission yeasts, Schizosaccharomyces pombe and Schizosaccharomyces japonicus , as a comparative model system. We show that although S. japonicus does not respire oxygen, unlike S. pombe , it is capable of efficient NADH oxidation, amino acid synthesis and ATP generation. We probe possible optimization strategies using stable isotope tracing metabolomics, mass isotopologue distribution analysis, genetics, and physiological experiments. S. japonicus appears to have optimized cytosolic NADH oxidation via glycerol-3-phosphate synthesis. It runs a fully bifurcated TCA ‘cycle’, supporting higher amino acid production. Finally, it uses the pentose phosphate pathway both to support faster biomass generation and as a shunt to optimize glycolytic flux, thus producing more ATP than the respiro-fermenting S. pombe . By comparing two related organisms with vastly different metabolic strategies, our work highlights the versatility and plasticity of central carbon metabolism in eukaryotes, illuminating critical adaptations supporting the preferential use of glycolysis over oxidative phosphorylation.

Summary Cellular metabolism relies on just a few redox cofactors. Selective compartmentalization may prevent competition between metabolic reactions requiring the same cofactor. Is such compartmentalization necessary for optimal cell function? Is there an optimal compartment size? Here we probe these fundamental questions using peroxisomal compartmentalization of the last steps of lysine and histidine biosynthesis in the fission yeast Schizosaccharomyces japonicus . We show that compartmentalization of these NAD + dependent reactions together with a dedicated NADH/NAD + recycling enzyme supports optimal growth when an increased demand for anabolic reactions taxes cellular redox balance. In turn, compartmentalization constrains the size of individual organelles, with larger peroxisomes accumulating all the required enzymes but unable to support both biosynthetic reactions at the same time. We propose that compartmentalized biosynthetic reactions are sensitive to the size of the compartment, likely due to scaling-dependent changes within the system, such as enzyme packing density.

Abstract Although microtubules in plant cells have been extensively studied, the mechanisms that regulate the spatial organization of microtubules are poorly understood. We hypothesize that the interaction between microtubules and cytoplasmic flow plays an important role in the assembly and orientation of microtubules. To test this hypothesis, we developed a new computational modeling framework for microtubules based on theory and methods from the fluid-structure interaction. We employed the immersed boundary method to track the movement of microtubules in cytoplasmic flow. We also incorporated details of the encounter dynamics when two microtubules collide with each other. We verified our computational model through several numerical tests before applying it to the simulation of the microtubule-cytoplasm interaction in a growing plant cell. Our computational investigation demonstrated that microtubules are primarily oriented in the direction orthogonal to the axis of cell elongation. We validated the simulation results through a comparison with the measurement from laboratory experiments. We found that our computational model, with further calibration, was capable of generating microtubule orientation patterns that were qualitatively and quantitatively consistent with the experimental results. The computational model proposed in this study can be naturally extended to many other cellular systems that involve the interaction between microstructures and the intracellular fluid.

The emergence of SARS-CoV-2 variants raises concerns about the efficacy of existing COVID-19 vaccines and therapeutics. Previously, we identified a conserved cryptic class 5 epitope of SARS-CoV-2 receptor binding domain (RBD) by two cross-neutralizing antibodies 7D6 and 6D6. Intriguingly, this site remains resistant to substantial mutations occurred in ever-changing SARS-CoV-2 subvariants. As compared to class 3 antibody S309, 6D6 maintains broad and consistent neutralizing activities against SARS-CoV-2 variants. Furthermore, 6D6 effectively protected hamster from the virulent Beta strain. Sequence alignment of approximately 6 million documented SARS-CoV-2 isolates revealed that 6D6 epitope maintains an exceptionally high conservation rate (99.92%). Structural analysis demonstrated that all 33 mutations accumulated in XBB.1.5 since the original strain do not perturb the binding 6D6 to RBD, in line with the sequence analysis throughout the antigenicity evolution of SARS-CoV-2. These findings suggest the potential of this epitope serving as a critical determinant for vaccines and therapeutic design.

Currently, SARS-CoV-2 has evolved into various variants, including the numerous highly mutated Omicron sub-lineages, significantly increasing immune evasion ability. The development raises concerns about the possibly diminished effectiveness of available vaccines and antibody-based therapeutics. Here, we describe those representative categories of broadly neutralizing antibodies (bnAbs) that retain prominent effectiveness against emerging variants including Omicron sub-lineages. The molecular characteristics, epitope conservation, and resistance mechanisms of these antibodies are further detailed, aiming to offer suggestion or direction for the development of therapeutic antibodies, and facilitate the design of vaccines with broad-spectrum potential.

ABSTRACT Birth defect, not only poses a major challenge for infant health but also attracts the attention of countless people in the world. Chromosome abnormality directly results in diverse birth defects which are generally deleterious and even lethal. Therefore, gaining molecular regulatory insights into these diseases is important and necessary for effective prenatal screening. Recently, with the advance of next-generation sequencing (NGS) techniques, a myriad of treatises and data associated with these diseases are now constantly produced from different laboratories across the world. To meet the increasing requirements for birth-related data resources, we developed a birth defect multi-omics database (BDdb), freely accessible at http://t21omics.cngb.org and consisting of multi-omics data, circulating free DNA (cfDNA) data, as well as diseases biomarkers. Omics data sets from 138 GSE samples, 5271 GSM samples and 328 entries, and more than 2000 biomarkers of 22 birth-defect diseases in 5 different species were integrated into BDdb, which provides a user-friendly interface for searching, browsing and downloading selected data. Additionally, we re-analyzed and normalized the raw data so that users can also customize the analysis using the data generated from different sources or different High-Throughput Sequencing (HTS) methods. To our knowledge, BDdb is the first comprehensive database associated with birth-defect-related diseases. which would benefit the diagnosis and prevention of birth defects.

The numerous high-risk carcinogenic types of human papillomavirus (HR-HPV) that lack vaccine protection underscore the urgent need to develop broader-spectrum HPV vaccines. This study addresses this need by focusing on HR-HPV types 53, 56, and 66, which are not currently targeted by existing vaccines. It introduces an effective method for their soluble expression, as well as that of their mutants, within an Escherichia coli expression system. Through strategic homologous loop swapping among HPV53, HPV56, and HPV66, we designed twenty double-type chimeric molecules. Comprehensive evaluations identified unique dominant immunogenic loops for each type: the FG loop for HPV53, the HI loop for HPV56, and the DE loop for HPV66, with HPV66 emerging as the optimal chimeric backbone virus-like particle (VLP). By incorporating two identified immunodominant sites into the preferable base particle, the study constructed a triple-type chimera H66-56HI-53FG, which could efficiently self-assemble into VLPs in vitro that closely resembled the wild-type HPV66 VLP and, induced balanced triple-type neutralization titers (~ 3 log unites), as contrast to none observable HPV53 neutralization titer and lower HPV56 titer elicited by the immunization of the wild-type HPV66 alone. This research outlines an amenable way to simultaneously identify immunodominant sites and their preferable particle base context for cross-type vaccine design, thereby offering a paradigm as extending antigenic variety in single particle to broaden vaccine protection coverage.

Broadly neutralizing antibodies (bNAbs) could offer escape-tolerant and lasting protection against viral infections and therefore guide development of broad-spectrum vaccines. The increasing challenge posed by viral evolution and immune evasion intensifies the importance of the discovery of bNAbs and their underlying neutralization mechanism. Here, focusing on the pivotal viral protein VP4 of rotavirus (RV), we identify a potent bNAb, 7H13, exhibiting broad-spectrum neutralization across diverse RV genotypes and demonstrating strong prevention of virus infection in female mice. A combination of time-resolved cryo-electron microscopy (cryo-EM) and in situ cryo-electron tomography (cryo-ET) analysis reveals a counterintuitive dynamic process of virus inactivation, in which 7H13 asymmetrically binds to a conserved epitope in the capsid-proximal aspect of VP4, triggers a conformational switch in a critical residue—F418—thereby disrupts the meta-stable conformation of VP4 essential for normal viral infection. Structure-guided mutagenesis corroborates the essential role of the 7H13 heavy chain I54 in activating F418 switch and destabilizing VP4. These findings define an atypical NAbs' neutralization mechanism and reveal a potential type of virus vulnerable site for universal vaccine and therapeutics design. This study uncovers a unique broad neutralization mechanism against rotavirus, where antibody 7H13 destabilizes the partial structure of the viral VP4 spike by acting on a critical residue switch located at the interface of multiple VP4 subunits.

Neutralizing antibodies (nAbs) play a crucial role in virology, antibody drug development, and vaccine research. In this study, we investigated the synergistic effect of two hepatitis E virus (HEV) nAbs, 8H3, and 8C11, which have exhibited enhanced neutralizing activity in a rhesus monkey model. We presented crystal structures of 8H3 Fab alone and a triple complex of 8C11 Fab and 8H3 Fab simultaneously binding to the HEV E2s protein (8C11:E2s:8H3). Through structural analysis, we identified critical binding sites and fully elucidated the binding footprints of nAb 8H3 in the 8C11:E2s:8H3 complex using site-directed mutagenesis, pinpointing Ile 529, Glu 549, Lys 554, and Ser 566 in the E2s domain, and K66H, S67H, D88H in the 8C11 heavy chain. Interestingly, the synergetic enhancement of 8C11 to 8H3 converted to an antagonistic effect when 8C11 bound to E2s with pretreatment of 8H3, indicating a unidirectional synergistic effect associated with the sequence of antibody involvement. We demonstrated this phenomenon through structural comparisons of E2s:8C11 vs. 8C11:E2s:8H3 crystal structures and molecular dynamics simulations, found that Ile 529 played a key role in the synergistic interplay between these two nAbs. The two-antibody combination showed a more potent antibody-imposed physical disruption mechanism and enhanced coneutralization in an authentic HEV-based cell model. Our study suggests a strategy for synergistic antibody cocktail design with antibody-antibody side-by-side interaction.