Abstract COVID-19, caused by SARS-CoV-2, lacks effective therapeutics. Additionally, no antiviral drugs or vaccines were developed against the closely related coronavirus, SARS-CoV-1 or MERS-CoV, despite previous zoonotic outbreaks. To identify starting points for such therapeutics, we performed a large-scale screen of electrophile and non-covalent fragments through a combined mass spectrometry and X-ray approach against the SARS-CoV-2 main protease, one of two cysteine viral proteases essential for viral replication. Our crystallographic screen identified 71 hits that span the entire active site, as well as 3 hits at the dimer interface. These structures reveal routes to rapidly develop more potent inhibitors through merging of covalent and non-covalent fragment hits; one series of low-reactivity, tractable covalent fragments were progressed to discover improved binders. These combined hits offer unprecedented structural and reactivity information for on-going structure-based drug design against SARS-CoV-2 main protease.

Kidney failure is frequently observed during and after COVID-19, but it remains elusive whether this is a direct effect of the virus. Here, we report that SARS-CoV-2 directly infects kidney cells and is associated with increased tubule-interstitial kidney fibrosis in patient autopsy samples. To study direct effects of the virus on the kidney independent of systemic effects of COVID-19, we infected human-induced pluripotent stem-cell-derived kidney organoids with SARS-CoV-2. Single-cell RNA sequencing indicated injury and dedifferentiation of infected cells with activation of profibrotic signaling pathways. Importantly, SARS-CoV-2 infection also led to increased collagen 1 protein expression in organoids. A SARS-CoV-2 protease inhibitor was able to ameliorate the infection of kidney cells by SARS-CoV-2. Our results suggest that SARS-CoV-2 can directly infect kidney cells and induce cell injury with subsequent fibrosis. These data could explain both acute kidney injury in COVID-19 patients and the development of chronic kidney disease in long COVID.

ABSTRACT The SARS-CoV-2 macrodomain (Mac1) within the non-structural protein 3 (Nsp3) counteracts host-mediated antiviral ADP-ribosylation signalling. This enzyme is a promising antiviral target because catalytic mutations render viruses non-pathogenic. Here, we report a massive crystallographic screening and computational docking effort, identifying new chemical matter primarily targeting the active site of the macrodomain. Crystallographic screening of diverse fragment libraries resulted in 214 unique macrodomain-binding fragments, out of 2,683 screened. An additional 60 molecules were selected from docking over 20 million fragments, of which 20 were crystallographically confirmed. X-ray data collection to ultra-high resolution and at physiological temperature enabled assessment of the conformational heterogeneity around the active site. Several crystallographic and docking fragment hits were validated for solution binding using three biophysical techniques (DSF, HTRF, ITC). Overall, the 234 fragment structures presented explore a wide range of chemotypes and provide starting points for development of potent SARS-CoV-2 macrodomain inhibitors.

Summary COVID-19, caused by SARS-CoV-2, lacks effective therapeutics. Additionally, no antiviral drugs or vaccines were developed against the closely related coronavirus, SARS-CoV-1 or MERS-CoV, despite previous zoonotic outbreaks. To identify starting points for such therapeutics, we performed a large-scale screen of electrophile and non-covalent fragments through a combined mass spectrometry and X-ray approach against the SARS-CoV-2 main protease, one of two cysteine viral proteases essential for viral replication. Our crystallographic screen identified 71 hits that span the entire active site, as well as 3 hits at the dimer interface. These structures reveal routes to rapidly develop more potent inhibitors through merging of covalent and non-covalent fragment hits; one series of low-reactivity, tractable covalent fragments was progressed to discover improved binders. These combined hits offer unprecedented structural and reactivity information for on-going structure-based drug design against SARS-CoV-2 main protease.

Abstract The global COVID-19 pandemic is caused by the SARS-CoV-2 virus and has infected over 100 million and caused over 2 million fatalities worldwide at the point of writing. There is currently a lack of effective drugs to treat people infected with SARS-CoV-2. The SARS-CoV-2 Non-structural protein 13 (NSP13) is a superfamily1B helicase that has been identified as a possible target for anti-viral drugs due to its high sequence conservation and essential role in viral replication. In this study we present crystal structures of SARS-CoV-2 NSP13 solved in the APO form and in the presence of both phosphate and the non-hydrolysable ATP analogue (AMP-PNP). Comparisons of these structures reveal details of global and local conformational changes that are induced by nucleotide binding and hydrolysis and provide insights into the helicase mechanism and possible modes of inhibition. Structural analysis reveals two pockets on NSP13 that are classified as “druggable” and include one of the most conserved sites in the entire SARS-CoV-2 proteome. To identify possible starting points for anti-viral drug development we have performed a crystallographic fragment screen against SARS-CoV-2 NSP13 helicase. The fragment screen reveals 65 fragment hits across 52 datasets, with hot spots in pockets predicted to be of functional importance, including the druggable nucleotide and nucleic acid binding sites, opening the way to structure guided development of novel antiviral agents.

Abstract Much of our current understanding of how small-molecule ligands interact with proteins stems from X-ray crystal structures determined at cryogenic (cryo) temperature. For proteins alone, room-temperature (RT) crystallography can reveal previously hidden, biologically relevant alternate conformations. However, less is understood about how RT crystallography may impact the conformational landscapes of protein-ligand complexes. Previously we showed that small-molecule fragments cluster in putative allosteric sites using a cryo crystallographic screen of the therapeutic target PTP1B (Keedy*, Hill*, 2018). Here we have performed two RT crystallographic screens of PTP1B using many of the same fragments, representing the largest RT crystallographic screens of a diverse library of ligands to date, and enabling a direct interrogation of the effect of data collection temperature on protein-ligand interactions. We show that at RT, fewer ligands bind, and often more weakly -- but with a variety of temperature-dependent differences, including unique binding poses, changes in solvation, new binding sites, and distinct protein allosteric conformational responses. Overall, this work suggests that the vast body of existing cryogenic-temperature protein-ligand structures may provide an incomplete picture, and highlights the potential of RT crystallography to help complete this picture by revealing distinct conformational modes of protein-ligand systems. Our results may inspire future use of RT crystallography to interrogate the roles of protein-ligand conformational ensembles in biological function.

Abstract SARS-CoV-2 is the causative agent of COVID-19. The highly conserved viral NSP15 endoribonuclease, NendoU, is a key enzyme involved in viral immune evasion, and a promising target for the development of new classes of antivirals. Yet, the broad variety of recognition sequences, complex assembly and kinetics, and lack of structural complexes hampers the development of new competitive or allosteric inhibitors for this target. Here, we performed enzymatic characterization of NendoU in its monomeric and hexameric form, showing that hexamers are allosteric enzymes with a positive cooperative index of 2. By using cryo-EM at distinct pH’s combined with X-ray crystallography and structural analysis, we demonstrate the potential for NendoU to shift between open and closed states, and assembly in larger supramolecular entities, which might serve as a mechanism of self-regulation. Further, we report results from a large fragment screening campaign against NendoU, revealing multiple new allosteric sites for the development of inhibitors.

Covalent probes can display unmatched potency, selectivity and duration of action, however, their discovery is challenging. In principle, fragments that can irreversibly bind their target can overcome the low affinity that limits reversible fragment screening. Such electrophilic fragments were considered non-selective and were rarely screened. We hypothesized that mild electrophiles might overcome the selectivity challenge, and constructed a library of 993 mildly electrophilic fragments. We characterized this library by a new high-throughput thiol-reactivity assay and screened them against ten cysteine-containing proteins. Highly reactive and promiscuous fragments were rare and could be easily eliminated. By contrast, we found selective hits for most targets. Combination with high-throughput crystallography allowed rapid progression to potent and selective probes for two enzymes, the deubiquitinase OTUB2, and the pyrophosphatase NUDT7. No inhibitors were previously known for either. This study highlights the potential of electrophile fragment screening as a practical and efficient tool for covalent ligand discovery.

Abstract Bright light sources, agile robotics, and fast detectors are continually reducing the time it takes to perform an X-ray diffraction experiment, making high throughput experiments more feasible than ever. But this is also pushing the upstream bottleneck towards sample preparation, even for robust and well characterised crystal systems. Crystal soaking is routinely used to generate protein-ligand complex structures, yet protein crystals are often sensitive to changes in solvent composition, and frequently require gentle or careful stepwise soaking techniques, limiting overall throughput. Here, we describe the use of acoustic droplet ejection for soaking of protein crystals with small molecules, and show that it is both gentle on crystals and allows very high throughput, with 1000 unique soaks easily performed in under 10 minutes. In addition to having very low compound consumption (tens of nanolitres per sample), the positional precision of acoustic droplet ejection enables targeted placement of the compound/solvent away from crystals and towards drop edges, allowing for gradual diffusion of solvent across the drop. This ensures both an improvement in reproducibility of X-ray diffraction and an increased solvent tolerance of the crystals, thus enabling higher effective compound soaking concentrations. We detail the technique here with examples from the protein target JMJD2D, a histone lysine demethylase, having roles in cancer and the focus of active structure based drug design efforts.