ABSTRACT Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and other SARS-like-CoVs encode 3 tandem macrodomains within non-structural protein 3 (nsp3). The first macrodomain, Mac1, is conserved throughout CoVs, and binds to and hydrolyzes mono-ADP-ribose (MAR) from target proteins. Mac1 likely counters host-mediated anti-viral ADP-ribosylation, a posttranslational modification that is part of the host response to viral infections. Mac1 is essential for pathogenesis in multiple animal models of CoV infection, implicating it as a virulence factor and potential therapeutic target. Here we report the crystal structure of SARS-CoV-2 Mac1 in complex with ADP-ribose. SARS-CoV-2, SARS-CoV and MERS-CoV Mac1 exhibit similar structural folds and all 3 proteins bound to ADP-ribose with low μM affinities. Importantly, using ADP-ribose detecting binding reagents in both a gel-based assay and novel ELISA assays, we demonstrated de-MARylating activity for all 3 CoV Mac1 proteins, with the SARS-CoV-2 Mac1 protein leading to a more rapid loss of substrate compared to the others. In addition, none of these enzymes could hydrolyze poly-ADP-ribose. We conclude that the SARS-CoV-2 and other CoV Mac1 proteins are MAR-hydrolases with similar functions, indicating that compounds targeting CoV Mac1 proteins may have broad anti-CoV activity. IMPORTANCE SARS-CoV-2 has recently emerged into the human population and has led to a worldwide pandemic of COVID-19 that has caused greater than 900 thousand deaths worldwide. With, no currently approved treatments, novel therapeutic strategies are desperately needed. All coronaviruses encode for a highly conserved macrodomain (Mac1) that binds to and removes ADP-ribose adducts from proteins in a dynamic post-translational process increasingly recognized as an important factor that regulates viral infection. The macrodomain is essential for CoV pathogenesis and may be a novel therapeutic target. Thus, understanding its biochemistry and enzyme activity are critical first steps for these efforts. Here we report the crystal structure of SARS-CoV-2 Mac1 in complex with ADP-ribose, and describe its ADP-ribose binding and hydrolysis activities in direct comparison to SARS-CoV and MERS-CoV Mac1 proteins. These results are an important first step for the design and testing of potential therapies targeting this unique protein domain.

Malaria is caused by infection with protozoan parasites of the

Abstract Malaria is caused by infection with protozoan parasites of the Plasmodium genus, which is part of the phylum Apicomplexa. Most organisms in this phylum contain a relic plastid called the apicoplast. The apicoplast genome is replicated by a single DNA polymerase (apPOL), which is an attractive target for anti-malarial drugs. We screened small-molecule libraries (206,504 compounds) using a fluorescence-based high-throughput DNA polymerase assay. Dose/response analysis and counter-screening identified 186 specific apPOL inhibitors. Toxicity screening against human HepaRG human cells removed 84 compounds and the remaining were subjected to parasite killing assays using chloroquine resistant P. falciparum parasites. Nine compounds were potent inhibitors of parasite growth and may serve as lead compounds in efforts to discover novel malaria drugs.

Malaria is caused by infection with protozoan parasites of the Plasmodium genus, which is part of the phylum Apicomplexa. Most organisms in this phylum contain a relic plastid called the apicoplast. The apicoplast genome is replicated by a single DNA polymerase (apPOL), which is an attractive target for anti-malarial drugs. We screened small-molecule libraries (206,504 compounds) using a fluorescence-based high-throughput DNA polymerase assay. Dose/response analysis and counter-screening identified 186 specific apPOL inhibitors. Toxicity screening against human HepaRG human cells removed 84 compounds and the remaining were subjected to parasite killing assays using chloroquine resistant P. falciparum parasites. Nine compounds were potent inhibitors of parasite growth and may serve as lead compounds in efforts to discover novel malaria drugs.

Abstract Herpes simplex virus 1 (HSV-1) is a ubiquitous virus that results in lifelong infections due to it’s ability to cycle between lytic replication and latency. As an obligate intracellular pathogen, HSV-1 exploits host cellular factors to replicate and aid in its life cycle. HSV-1 expresses infected cell protein 0 (ICP0), an immediate-early regulator, to stimulate the transcription of all classes of viral genes via its E3 ubiquitin ligase activity. Mechanisms by which ICP0 activates viral gene expression and the cellular factors involved are largely unknown. Here we report an automated, inexpensive, and rapid high-throughput approach to examine the effects of small molecule compounds on ICP0 transactivator function in cells. Two HSV-1 reporter viruses, KOS6β (wt) and dl x3.1-6β (ICP0-null mutant), were used to monitor ICP0 transactivation activity through the HSV-1 ICP6 promoter:: lacz expression cassette. A ≥10-fold difference in β-galactosidase activity was observed in cells infected with KOS6β compared to dl x3.1-6β, demonstrating that ICP0 potently transactivates the ICP6 promoter. We established the robustness and reproducibility with a Z′- factor score of ≥0.69, an important criterium for high-throughput analyses. Approximately 19,000 structurally diverse compounds were screened and 76 potential inhibitors of the HSV-1 transactivator ICP0 were identified. We expect this assay will aid in the discovery of novel inhibitors and tools against HSV-1 ICP0. Using well-annotated compounds could identify potential novel factors and pathways that interact with ICP0 to promote HSV-1 gene expression.

The emergence of several zoonotic viruses in the last twenty years, especially the pandemic outbreak of SARS-CoV-2, has exposed a dearth of antiviral drug therapies for viruses with pandemic potential. Developing a diverse drug portfolio will be critical for our ability to rapidly respond to novel coronaviruses (CoVs) and other viruses with pandemic potential. Here we focus on the SARS-CoV-2 conserved macrodomain (Mac1), a small domain of non-structural protein 3 (nsp3). Mac1 is an ADP-ribosylhydrolase that cleaves mono-ADP-ribose (MAR) from target proteins, protects the virus from the anti-viral effects of host ADP-ribosyltransferases, and is critical for the replication and pathogenesis of CoVs. In this study, a luminescent-based high-throughput assay was used to screen ∼38,000 small molecules for those that could inhibit Mac1-ADP-ribose binding. We identified 5 compounds amongst 3 chemotypes that inhibit SARS-CoV-2 Mac1-ADP-ribose binding in multiple assays with IC 50 values less than 100 µ M, inhibit ADP-ribosylhydrolase activity, and have evidence of direct Mac1 binding. These chemotypes are strong candidates for further derivatization into highly effective Mac1 inhibitors.

All coronaviruses (CoVs) encode for a conserved macrodomain (Mac1) located in nonstructural protein 3 (nsp3). Mac1 is an ADP-ribosylhydrolase that binds and hydrolyzes mono-ADP-ribose from target proteins. Previous work has shown that Mac1 is important for virus replication and pathogenesis. Within Mac1, there are several regions that are highly conserved across CoVs, including the GIF (glycine-isoleucine-phenylalanine) motif. To determine how the biochemical activities of these residues impact CoV replication, the isoleucine and the phenylalanine residues were mutated to alanine (I-A/F-A) in both recombinant Mac1 proteins and recombinant CoVs, including murine hepatitis virus (MHV), Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV), and severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). The F-A mutant proteins had ADP-ribose binding and/or hydrolysis defects that led to attenuated replication and pathogenesis in cell culture and mice. In contrast, the I-A mutations had normal enzyme activity and enhanced ADP-ribose binding. Despite increased ADP-ribose binding, I-A mutant MERS-CoV and SARS-CoV-2 were highly attenuated in both cell culture and mice, indicating that this isoleucine residue acts as a gate that controls ADP-ribose binding for efficient virus replication. These results highlight the function of this highly conserved residue and provide unique insight into how macrodomains control ADP-ribose binding and hydrolysis to promote viral replication and pathogenesis.