The coronavirus disease (COVID-19) caused by SARS-CoV-2 is creating tremendous human suffering. To date, no effective drug is available to directly treat the disease. In a search for a drug against COVID-19, we have performed a high-throughput x-ray crystallographic screen of two repurposing drug libraries against the SARS-CoV-2 main protease (M

Juvenile idiopathic arthritis (JIA) encompasses a group of chronic childhood arthritides of unknown etiology. One subtype, systemic JIA (SJIA), is characterized by a combination of arthritis and systemic inflammation. Its systemic nature suggests that clues to SJIA pathogenesis may be found in examination of peripheral blood cells. To determine the immunophenotypic profiles of circulating mononuclear cells in SJIA patients with different degrees of disease activity, we studied PBMC from 31 SJIA patients, 20 polyarticular JIA patients (similar to adult rheumatoid arthritis), and 31 age-matched controls. During SJIA disease flare, blood monocyte numbers were increased, whereas levels of myeloid dendritic cells (DC) and γδ T cells were reduced. At both flare and quiescence, increased levels of CD14 and CD16 were found on SJIA monocytes. Levels of CD16−DC were elevated at SJIA quiescence compared both to healthy controls and to SJIA subjects with active disease. Overall, our findings suggest dysregulation of innate immunity in SJIA and raise the possibility that quiescence represents a state of compensated inflammation.

Systemic juvenile idiopathic arthritis (SJIA) is a chronic autoinflammatory condition. The association with macrophage activation syndrome, and the therapeutic efficacy of inhibiting monocyte-derived cytokines, has implicated these cells in SJIA pathogenesis. To characterize the activation state (classical/M1 vs. alternative/M2) of SJIA monocytes, we immunophenotyped monocytes using several approaches. Monocyte transcripts were analyzed by microarray and quantitative PCR. Surface proteins were measured at the single cell level using flow cytometry. Cytokine production was evaluated by intracellular staining and ELISA. CD14(++)CD16(-) and CD14(+)CD16(+) monocyte subsets are activated in SJIA. A mixed M1/M2 activation phenotype is apparent at the single cell level, especially during flare. Consistent with an M2 phenotype, SJIA monocytes produce IL-1β after LPS exposure, but do not secrete it. Despite the inflammatory nature of active SJIA, circulating monocytes demonstrate significant anti-inflammatory features. The persistence of some of these phenotypes during clinically inactive disease argues that this state reflects compensated inflammation.

Abstract The coronavirus disease (COVID-19) caused by SARS-CoV-2 is creating tremendous health problems and economical challenges for mankind. To date, no effective drug is available to directly treat the disease and prevent virus spreading. In a search for a drug against COVID-19, we have performed a massive X-ray crystallographic screen of two repurposing drug libraries against the SARS-CoV-2 main protease (M pro ), which is essential for the virus replication and, thus, a potent drug target. In contrast to commonly applied X-ray fragment screening experiments with molecules of low complexity, our screen tested already approved drugs and drugs in clinical trials. From the three-dimensional protein structures, we identified 37 compounds binding to M pro . In subsequent cell-based viral reduction assays, one peptidomimetic and five non-peptidic compounds showed antiviral activity at non-toxic concentrations. We identified two allosteric binding sites representing attractive targets for drug development against SARS-CoV-2.

Cryo-electron tomography provides detailed views of macromolecules in situ . However, imaging a large field of view to provide more cellular context requires reducing magnification during data collection, which in turn restricts the resolution. To circumvent this trade-off between field of view and resolution, we have developed a montage data collection scheme that uniformly distributes the dose throughout the specimen. In this approach, sets of slightly overlapping circular tiles are collected at high magnification and stitched to form a composite projection image at each tilt angle. These montage tilt-series are then reconstructed into massive tomograms with a small pixel size but a large field of view. For proof-of-principle, we applied this method to the thin edge of HeLa cells. Thon rings to better than 15 Å were observed in the montaged tilt-series, and diverse cellular features were evident in the resulting tomograms. These results indicate that the additional dose required by this technique is not prohibitive to performing structural analysis to intermediate resolution across a large field of view. We anticipate that montage tomography will prove particularly useful for lamellae, increase the likelihood of imaging rare cellular events, and facilitate visual proteomics.

Abstract Here we present the crystal structure of SARS-CoV-2 main protease (M pro ) covalently bound to 2-methyl-1-tetralone. This complex was obtained by co-crystallization of M pro with HEAT (2-(((4-hydroxyphenethyl)amino)methyl)-3,4-dihydronaphthalen-1(2H)-one) in the framework of a large X-ray crystallographic screening project of M pro against a drug repurposing library, consisting of 5632 approved drugs or compounds in clinical phase trials. Further investigations showed that HEAT is cleaved by M pro in an E1cB-like reaction mechanism into 2-methylene-1-tetralone and tyramine. The catalytic Cys145 subsequently binds covalently in a Michael addition to the methylene carbon atom of 2-methylene-1-tetralone. According to this postulated model HEAT is acting in a pro-drug-like fashion. It is metabolized by M pro , followed by covalent binding of one metabolite to the active site. The structure of the covalent adduct elucidated in this study opens up a new path for developing non-peptidic inhibitors.

Abstract Systemic juvenile idiopathic arthritis (SJIA) is a chronic autoinflammatory condition of childhood, characterized by remitting fever, transient rash, and relapsing arthritis. The association of macrophage activation syndrome with SJIA and clinical evidence implicating monocyte-derived cytokines IL-1 and IL-6 suggest a key role for monocyte in SJIA pathogenesis. We have previously found monocyte expansion during disease activity (flare), and a normal distribution of the monocyte subsets CD14hiCD16- and CD14loCD16+. We also observed elevated expression of monocyte surface markers CD14 and CD16 in the respective CD14hiCD16- and CD14loCD16+ monocyte subpopulations during disease flare and inactivity (quiescence), suggesting phenotypic alteration of monocytes in SJIA, independent of clinical status. We further analyzed phenotypic and functional alterations of SJIA monocytes in relation to disease activity and in comparison to age- and ethnicity-matched controls, specifically regarding development towards a M1- or M2- polarized phenotype. Gene expression profile, flow-cytometry based analysis of surface markers, baseline and LPS-induced production of cytokines and phosphorylation patterns in response to cytokine stimulation indicate that SJIA monocytes have a mixed M1/M2 phenotype during disease flare. Disease quiescence is associated not with normalization, but with an M2 phenotype, suggesting the existence of a state of compensated inflammation that is broke during disease flare.

Cytochrome c oxidase (CcO) is an essential enzyme in mitochondrial and bacterial respiration. It catalyzes the four-electron reduction of molecular oxygen to water and harnesses the chemical energy to translocate four protons across biological membranes, thereby establishing the proton gradient required for ATP synthesis1. The full turnover of the CcO reaction involves an oxidative phase, in which the reduced enzyme (R) is oxidized by molecular oxygen to the metastable oxidized OH state, and a reductive phase, in which OH is reduced back to the R state. During each of the two phases, two protons are translocated across the membranes2. However, if OH is allowed to relax to the resting oxidized state (O), a redox equivalent to OH, its subsequent reduction to R is incapable of driving proton translocation2,3. How the O state structurally differs from OH remains an enigma in modern bioenergetics. Here, with resonance Raman spectroscopy and serial femtosecond X-ray crystallography (SFX)4, we show that the heme a3 iron and CuB in the active site of the O state, like those in the OH state5,6, are coordinated by a hydroxide ion and a water molecule, respectively. However, Y244, a residue covalently linked to one of the three CuB ligands and critical for the oxygen reduction chemistry, is in the neutral protonated form, which distinguishes O from OH, where Y244 is in the deprotonated tyrosinate form. These structural characteristics of O provide new insights into the proton translocation mechanism of CcO.