The nonstructural protein 3 (NSP3) of the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) contains a conserved macrodomain enzyme (Mac1) that is critical for pathogenesis and lethality. While small molecule inhibitors of Mac1 have great therapeutic potential, at the outset of the COVID-19 pandemic there were no well-validated inhibitors for this protein nor, indeed, the macrodomain enzyme family, making this target a pharmacological orphan. Here, we report the structure-based discovery and development of several different chemical scaffolds exhibiting low- to sub-micromolar affinity for Mac1 through iterations of computer-aided design, structural characterization by ultra-high resolution protein crystallography, and binding evaluation. Potent scaffolds were designed with in silico fragment linkage and by ultra-large library docking of over 450 million molecules. Both techniques leverage the computational exploration of tangible chemical space and are applicable to other pharmacological orphans. Overall, 160 ligands in 119 different scaffolds were discovered, and 152 Mac1-ligand complex crystal structures were determined, typically to 1 Å resolution or better. Our analyses discovered selective and cell-permeable molecules, unexpected ligand-mediated protein dynamics within the active site, and key inhibitor motifs that will template future drug development against Mac1.

The NSP3 macrodomain of SARS CoV 2 (Mac1) removes ADP-ribosylation post-translational modifications, playing a key role in the immune evasion capabilities of the virus responsible for the COVID-19 pandemic. Here, we determined neutron and X-ray crystal structures of the SARS-CoV-2 NSP3 macrodomain using multiple crystal forms, temperatures, and pHs, across the apo and ADP-ribose-bound states. We characterize extensive solvation in the Mac1 active site, and visualize how water networks reorganize upon binding of ADP-ribose and non-native ligands, inspiring strategies for displacing waters to increase potency of Mac1 inhibitors. Determining the precise orientations of active site water molecules and the protonation states of key catalytic site residues by neutron crystallography suggests a catalytic mechanism for coronavirus macrodomains distinct from the substrate-assisted mechanism proposed for human MacroD2. These data provoke a re-evaluation of macrodomain catalytic mechanisms and will guide the optimization of Mac1 inhibitors.

Abstract Antiviral therapeutics to treat SARS-CoV-2 are much desired for the on-going pandemic. A well-precedented viral enzyme is the main protease (MPro), which is now targeted by an approved drug and by several investigational drugs. With the inevitable liabilities of these new drugs, and facing viral resistance, there remains a call for new chemical scaffolds against MPro. We virtually docked 1.2 billion non-covalent and a new library of 6.5 million electrophilic molecules against the enzyme structure. From these, 29 non-covalent and 11 covalent inhibitors were identified in 37 series, the most potent having an IC 50 of 29 μM and 20 μM, respectively. Several series were optimized, resulting in inhibitors active in the low micromolar range. Subsequent crystallography confirmed the docking predicted binding modes and may template further optimization. Together, these compounds reveal new chemotypes to aid in further discovery of MPro inhibitors for SARS-CoV-2 and other future coronaviruses.

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.

While opioid drugs remain among the most effective analgesics for pain management, adverse effects limit their use. Molecules that synergize with opioids, increasing analgesia without increasing side effects, could prove beneficial. A potential way to do so is via the RF-amide receptor system, as NPFFR1 agonists reduce μ-opioid receptor (μOR)-based analgesia while antagonists increase it. These inferences are, however, clouded by the lack of selectivity of most NPFF1R ligands. Seeking selective antagonists of the NPFF1R, we screened a large virtual library against a homology model of NPFF1R. From 26 high-ranking molecules that were synthesized and tested, one antagonized NPFF1R with a Ki of 319 nM. Structure-based optimization led to a 22 nM antagonist of NPFF1R, compound 56, with selectivity against a large panel of GPCRs. When administered alone, 56 has no activity in mouse tail-flick nociception assays. However, coadministration of compound 56 and morphine produced significantly greater antinociception than did morphine alone, consistent with the notion that NPFF1R nociceptive activity occurs via modulation of μOR signaling. Surprisingly, in the hot-plate assays 56 was analgesic by itself, suggesting that NPFF1R alone can also confer analgesia. At equi-analgesic doses, combinations of 56 with morphine reduced the common constipation side effect of morphine versus using morphine alone. The high selectivity of 56 and its activity in cooperation with morphine supports further analgesic development against NPFF1R and against the RF-amide family of receptors more generally.