The SARS-CoV-2 RNA-dependent RNA polymerase coordinates viral RNA synthesis as part of an assembly known as the replication-transcription complex (RTC) 1 . Accordingly, the RTC is a target for clinically approved antiviral nucleoside analogs, including remdesivir 2 . Faithful synthesis of viral RNAs by the RTC requires recognition of the correct nucleotide triphosphate (NTP) for incorporation into the nascent RNA. To be effective inhibitors, antiviral nucleoside analogs must compete with the natural NTPs for incorporation. How the SARS-CoV-2 RTC discriminates between the natural NTPs, and how antiviral nucleoside analogs compete, has not been discerned in detail. Here, we use cryo-electron microscopy to visualize the RTC bound to each of the natural NTPs in states poised for incorporation. Furthermore, we investigate the RTC with the active metabolite of remdesivir, remdesivir triphosphate (RDV-TP), highlighting the structural basis for the selective incorporation of RDV-TP over its natural counterpart ATP 3,4 . Our results elucidate the suite of interactions required for NTP recognition, informing the rational design of antivirals. Our analysis also yields insights into nucleotide recognition by the nsp12 NiRAN, an enigmatic catalytic domain essential for viral propagation 5 . The NiRAN selectively binds GTP, strengthening proposals for the role of this domain in the formation of the 5’ RNA cap 6 .

Abstract Through genome mining efforts, we discovered two lasso peptide biosynthetic gene clusters (BGCs) within two different species of Achromobacter , a genus that contains pathogenic organisms that can infect patients with cystic fibrosis. Using gene-refactored BGCs in E. coli , we heterologously expressed two lasso peptides, which we named achromonodin-1 and achromonodin-2. Achromonodin-1 is naturally encoded by certain isolates from the sputum of patients with cystic fibrosis. We solve the NMR structure of achromonodin-1, demonstrating that it is a threaded lasso peptide with a large loop and short tail structure, reminiscent of previously characterized lasso peptides that inhibit RNA polymerase (RNAP). We then show that achromonodin-1 inhibits RNAP in vitro and has potent but narrow-spectrum activity towards Achromobacter pulmonis , another isolate from the sputum of a cystic fibrosis patient. Our efforts expand the repertoire of antimicrobial lasso peptides and provide insights into how Achromobacter isolates from certain ecological niches may interact with each other.

Long-range gene regulation is rare in bacteria and is confined to the classical DNA looping model. Here, we use a combination of biophysical approaches, including X-ray crystallography and single-molecule analysis, to show that long-range gene silencing on the plasmid RK2, a source of multidrug resistance across diverse Gram-negative bacteria, is achieved cooperatively by a DNA-sliding clamp, KorB, and a clamp-locking protein, KorA. We find that KorB is a CTPase clamp that can entrap and slide along DNA to reach distal target promoters. We resolved the tripartite crystal structure of a KorB-KorA-DNA co-complex, revealing that KorA latches KorB into a closed-clamp state. KorA thus stimulates repression by stalling KorB sliding at target promoters to occlude RNA polymerase holoenzymes. Altogether, our findings explain the mechanistic basis for KorB role-switching from a DNA-sliding clamp to a co-repressor, and provide a new paradigm for the long-range regulation of gene expression.

During formation of the transcription-competent open complex (RPo) by bacterial RNA polymerases (RNAP), transient intermediates pile up before overcoming a rate-limiting step. Structural descriptions of these interconversions in real time are unavailable. To address this gap, time-resolved cryo-electron microscopy (cryo-EM) was used to capture four intermediates populated 120 or 500 milliseconds (ms) after mixing Escherichia coli σ 70 -RNAP and the αP R promoter. Cryo-EM snapshots revealed the upstream edge of the transcription bubble unpairs rapidly, followed by stepwise insertion of two conserved nontemplate strand (nt-strand) bases into RNAP pockets. As nt-strand “read-out” extends, the RNAP clamp closes, expelling an inhibitory σ 70 domain from the active-site cleft. The template strand is fully unpaired by 120 ms but remains dynamic, indicating yet unknown conformational changes load it in subsequent steps. Because these events likely describe DNA opening at many bacterial promoters, this study provides needed insights into how DNA sequence regulates steps of RPo formation.

The enzymatic activity of the SARS-CoV-2 Nidovirus RdRp-associated nucleotidyltransferase (NiRAN) domain is essential for viral propagation, with three distinct activities associated with modification of the nsp9 N-terminus, NMPylation, RNAylation, and deRNAylation/capping via a GDP-polyribonucleotidyltransferase reaction. The latter two activities comprise an unconventional mechanism for initiating viral RNA 59-cap formation, while the role of NMPylation is unclear. The structural mechanisms for these diverse enzymatic activities have not been properly delineated. Here we determine high-resolution cryo-electron microscopy structures of catalytic intermediates for the NMPylation and deRNAylation/capping reactions, revealing diverse nucleotide binding poses and divalent metal ion coordination sites to promote its repertoire of activities. The deRNAylation/capping structure explains why GDP is a preferred substrate for the capping reaction over GTP. Altogether, these findings enhance our understanding of the promiscuous coronaviral NiRAN domain, a therapeutic target, and provide an accurate structural platform for drug development.

TraR and its homolog DksA are bacterial proteins that regulate transcription initiation by binding directly to RNA polymerase (RNAP) rather than to promoter DNA. Effects of TraR mimic the combined effects of DksA and its cofactor ppGpp. How TraR and its homologs regulate transcription is unclear. Here, we use cryo-electron microscopy to determine structures of Escherichia coli RNAP, with or without TraR, and of an RNAP-promoter complex. TraR binding induced RNAP conformational changes not seen in previous crystallographic analyses, and a quantitative analysis of RNAP conformational heterogeneity revealed TraR-induced changes in RNAP dynamics. These changes involve mobile regions of RNAP affecting promoter DNA interactions, including the βlobe, the clamp, the bridge helix, and several lineage-specific insertions. Using mutational approaches, we show that these structural changes, as well as effects on σ70 region 1.1, are critical for transcription activation or inhibition, depending on the kinetic features of regulated promoters.

Abstract The first step of gene expression in all organisms requires opening the DNA duplex to expose one strand for templated RNA synthesis. In Escherichia coli , promoter DNA sequence fundamentally determines how fast the RNA polymerase (RNAP) forms “open” complexes (RPo), whether RPo persists for seconds or hours, and how quickly RNAP transitions from initiation to elongation. These rates control promoter strength in vivo but their structural origins remain largely unknown. Here we use cryo-electron microscopy to determine structures of RPo formed de novo at three promoters with widely differing lifetimes at 37°C: λP R (t 1/2 ∼ 10 hours), T7A1 (t 1/2 ∼ 4 minutes), and a point mutant in λP R (λP R-5C ) (t 1/2 ∼ 2 hours). Two distinct RPo conformers are populated at λP R , likely representing productive and unproductive forms of RPo observed in solution studies. We find that changes in the sequence and length of DNA in the transcription bubble just upstream of the start site (+1) globally alter the network of DNA-RNAP interactions, base stacking, and strand order in the single-stranded DNA of the transcription bubble; these differences propagate beyond the bubble to upstream and downstream DNA. After expanding the transcription bubble by one base (T7A1), the nontemplate-strand “scrunches” inside the active site cleft; the template-strand bulges outside the cleft at the upstream edge of the bubble. The structures illustrate how limited sequence changes trigger global alterations in the transcription bubble that modulate RPo lifetime and affect the subsequent steps of the transcription cycle.