Backtracking, the reverse motion of the transcriptase enzyme on the nucleic acid template, is a universal regulatory feature of transcription in cellular organisms but its role in viruses is not established. Here we present evidence that backtracking extends into the viral realm, where backtracking by the SARS-CoV-2 RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) may aid viral transcription and replication. Structures of SARS-CoV-2 RdRp bound to the essential nsp13 helicase and RNA suggested the helicase facilitates backtracking. We use cryo-electron microscopy, RNA-protein crosslinking, and unbiased molecular dynamics simulations to characterize SARS-CoV-2 RdRp backtracking. The results establish that the single-stranded 3'-segment of the product-RNA generated by backtracking extrudes through the RdRp NTP-entry tunnel, that a mismatched nucleotide at the product-RNA 3'-end frays and enters the NTP-entry tunnel to initiate backtracking, and that nsp13 stimulates RdRp backtracking. Backtracking may aid proofreading, a crucial process for SARS-CoV-2 resistance against antivirals.

Abstract Phytochromes are essential photoreceptor proteins in plants with homologs in bacteria and fungi that regulate a variety of important environmental responses. They display a reversible photocycle between two distinct states, the red-light absorbing Pr and the far-red light absorbing Pfr, each with its own structure. The reversible Pr to Pfr photoconversion requires covalently bound bilin chromophore and regulates the activity of a C-terminal enzymatic domain, which is usually a histidine kinase (HK). In plants, phytochromes translocate to nucleus where the C-terminal effector domain interacts with protein interaction factors (PIFs) to induce gene expression. In bacteria, the HK phosphorylates a response-regulator (RR) protein triggering downstream gene expression through a two-component signaling pathway. Although plant and bacterial phytochromes share similar structural composition, they have contrasting activity in the presence of light with most BphPs being active in the dark. The molecular mechanism that explains bacterial and plant phytochrome signaling has not been well understood due to limited structures of full-length phytochromes with enzymatic domain resolved at or near atomic resolution in both Pr and Pfr states. Here, we report the first Cryo-EM structures of a wild-type bacterial phytochrome with a HK enzymatic domain, determined in both Pr and Pfr states, between 3.75 and 4.13 Å resolution, respectively. Furthermore, we capture a distinct Pr/Pfr heterodimer of the same protein as potential signal transduction intermediate at 3.75 Å resolution. Our three Cryo-EM structures of the distinct signaling states of BphPs are further reinforced by Cryo-EM structures of the truncated PCM of the same protein determined for the Pr/Pfr heterodimer as well as Pfr state. These structures provide insight into the different light-signaling mechanisms that could explain how bacteria and plants see the light.

Abstract Protein nanoparticles are effective platforms for antigen presentation and targeting effector immune cells in vaccine development. Encapsulins are a class of protein-based microbial nanocompartments that self-assemble into icosahedral structures with external diameters ranging from 24 to 42 nm. Encapsulins from Mxyococcus xanthus were designed to package bacterial RNA when produced in E. coli and were shown to have immunogenic and self-adjuvanting properties enhanced by this RNA. We genetically incorporated a 20-mer peptide derived from a mutant strain of the SARS-CoV-2 receptor binding domain (RBD) into the encapsulin protomeric coat protein for presentation on the exterior surface of the particle. This immunogen elicited conformationally-relevant humoral responses to the SARS-CoV-2 RBD. Immunological recognition was enhanced when the same peptide was presented in a heterologous prime/boost vaccination strategy using the engineered encapsulin and a previously reported variant of the PP7 virus-like particle, leading to the development of a selective antibody response against a SARS-CoV-2 RBD point mutant. While generating epitope-focused antibody responses is an interplay between inherent vaccine properties and B/T cells, here we demonstrate the use of orthogonal nanoparticles to fine-tune the control of epitope focusing. Table of Contents graphic

Analysis of genetic polymorphism is a powerful tool for epidemiological surveillance and research. Powerful inference from pathogen genetic variation, however, is often restrained by limited access to representative target DNA, especially in the study of obligate parasitic species for which ex vivo culture is resource-intensive or bias-prone. Modern sequence capture methods enable pathogen genetic variation to be analyzed directly from vector/host material but are often too complex and expensive for resource-poor settings where infectious diseases prevail. This study proposes a simple, cost-effective genome-wide locus sequence typing (GLST) tool based on massive parallel amplification of information hotspots throughout the target pathogen genome. The multiplexed polymerase chain reaction amplifies hundreds of different, user-defined genetic targets in a single reaction tube, and subsequent agarose gel-based clean-up and barcoding completes library preparation at under 4 USD per sample. Approximately 100 libraries can be sequenced together in one Illumina MiSeq run. Our study generates a flexible GLST primer panel design workflow for Trypanosoma cruzi, the parasitic agent of Chagas disease. We successfully apply our 203-target GLST panel to direct, culture-free metagenomic extracts from triatomine vectors containing a minimum of 3.69 pg/ul T. cruzi DNA and further elaborate on method performance by sequencing GLST libraries from T. cruzi reference clones representing discrete typing units (DTUs) TcI, TcIII, TcIV, and TcVI. The 780 SNP sites we identify in the sample set repeatably distinguish parasites infecting sympatric vectors and detect correlations between genetic and geographic distances at regional (< 150 km) as well as continental scales. The markers also clearly separate DTUs. We discuss the advantages, limitations and prospects of our method across a spectrum of epidemiological research.