The SARS-CoV-2 coronavirus encodes an essential papain-like protease domain as part of its non-structural protein (nsp)-3, namely SARS2 PLpro, that cleaves the viral polyprotein, but also removes ubiquitin-like ISG15 protein modifications as well as, with lower activity, Lys48-linked polyubiquitin. Structures of PLpro bound to ubiquitin and ISG15 reveal that the S1 ubiquitin-binding site is responsible for high ISG15 activity, while the S2 binding site provides Lys48 chain specificity and cleavage efficiency. To identify PLpro inhibitors in a repurposing approach, screening of 3,727 unique approved drugs and clinical compounds against SARS2 PLpro identified no compounds that inhibited PLpro consistently or that could be validated in counterscreens. More promisingly, non-covalent small molecule SARS PLpro inhibitors also target SARS2 PLpro, prevent self-processing of nsp3 in cells and display high potency and excellent antiviral activity in a SARS-CoV-2 infection model.

Abstract Coronaviruses, including SARS-CoV-2, encode multifunctional proteases that are essential for viral replication and evasion of host innate immune mechanisms. The papain-like protease PLpro cleaves the viral polyprotein, and reverses inflammatory ubiquitin and anti-viral ubiquitin-like ISG15 protein modifications 1,2 . Drugs that target SARS-CoV-2 PLpro (hereafter, SARS2 PLpro) may hence be effective as treatments or prophylaxis for COVID-19, reducing viral load and reinstating innate immune responses 3 . We here characterise SARS2 PLpro in molecular and biochemical detail. SARS2 PLpro cleaves Lys48-linked polyubiquitin and ISG15 modifications with high activity. Structures of PLpro bound to ubiquitin and ISG15 reveal that the S1 ubiquitin binding site is responsible for high ISG15 activity, while the S2 binding site provides Lys48 chain specificity and cleavage efficiency. We further exploit two strategies to target PLpro. A repurposing approach, screening 3727 unique approved drugs and clinical compounds against SARS2 PLpro, identified no compounds that inhibited PLpro consistently or that could be validated in counterscreens. More promisingly, non-covalent small molecule SARS PLpro inhibitors were able to inhibit SARS2 PLpro with high potency and excellent antiviral activity in SARS-CoV-2 infection models.

Abstract PINK1 is a ubiquitin kinase that accumulates on damaged mitochondria to trigger mitophagy, and PINK1 loss-of-function mutations cause early onset Parkinson’s disease. Nucleotide analogues such as kinetin triphosphate (KTP) have been suggested to enhance PINK1 activity and may represent a therapeutic strategy for the treatment of Parkinson’s disease. Here, we investigate the interaction of PINK1 with nucleotides, including KTP. We establish a cryo-EM platform exploiting the previously observed dodecamer assembly of Pediculus humanus corporis ( Ph ) PINK1 to determine PINK1 structures bound to AMP-PNP and ADP, which reveal unexpected conformational changes in the kinase N-lobe to enable PINK1 to form a ubiquitin binding site. Strikingly, we find that KTP is unable to bind Ph PINK1 or human ( Hs ) PINK1 due to a steric clash with the kinase ‘gatekeeper’ residue. Mutation of the gatekeeper to Ala or Gly is required to enable PINK1 to bind and utilise KTP as a phosphate donor in ubiquitin phosphorylation and mitophagy. Indeed, Hs PINK1 M318G can be used to conditionally uncouple PINK1 stabilisation and activity on mitochondria.

DNA replication occurs on chromosomal DNA while processes such as DNA repair, recombination and transcription continue. However, we have limited experimental tools to study the consequences of collisions between DNA-bound molecular machines. Here, we repurpose a catalytically inactivated Cas9 (dCas9) construct fused to the photo-stable dL5 protein fluoromodule as a novel, targetable protein-DNA roadblock for studying replication fork arrest at the single-molecule level in vitro as well as in vivo. We find that the specifically bound dCas9-guideRNA complex arrests viral, bacterial and eukaryotic replication forks in vitro.