SUMMARY SARS-CoV-2 is the causative agent of the 2019-2020 pandemic. The SARS-CoV-2 genome is replicated-transcribed by the RNA-dependent RNA polymerase holoenzyme (subunits nsp7/nsp8 2 /nsp12) along with a cast of accessory factors. One of these factors is the nsp13 helicase. Both the holo-RdRp and nsp13 are essential for viral replication and are targets for treating the disease COVID-19. Here we present cryo-electron microscopic structures of the SARS-CoV-2 holo-RdRp with an RNA template-product in complex with two molecules of the nsp13 helicase. The Nidovirus-order-specific N-terminal domains of each nsp13 interact with the N-terminal extension of each copy of nsp8. One nsp13 also contacts the nsp12-thumb. The structure places the nucleic acid-binding ATPase domains of the helicase directly in front of the replicating-transcribing holo-RdRp, constraining models for nsp13 function. We also observe ADP-Mg 2+ bound in the nsp12 N-terminal nidovirus RdRp-associated nucleotidyltransferase domain, detailing a new pocket for anti-viral therapeutic development.

The SARS-CoV-2 nonstructural proteins coordinate genome replication and gene expression. Structural analyses revealed the basis for coupling of the essential nsp13 helicase with the RNA dependent RNA polymerase (RdRp) where the holo-RdRp and RNA substrate (the replication-transcription complex, or RTC) associated with two copies of nsp13 (nsp13 2 -RTC). One copy of nsp13 interacts with the template RNA in an opposing polarity to the RdRp and is envisaged to drive the RdRp backwards on the RNA template (backtracking), prompting questions as to how the RdRp can efficiently synthesize RNA in the presence of nsp13. Here, we use cryo-electron microscopy and molecular dynamics simulations to analyze the nsp13 2 -RTC, revealing four distinct conformational states of the helicases. The results suggest a mechanism for the nsp13 2 -RTC to turn backtracking on and off, using an allosteric mechanism to switch between RNA synthesis or backtracking in response to stimuli at the RdRp active site.

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 .

To replicate inside human macrophages and cause the disease tuberculosis, Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) must scavenge a variety of nutrients from the host 1,2 . The Mammalian Cell Entry (MCE) proteins are important virulence factors in Mtb 1,3 , where they are encoded in large gene clusters and have been implicated in the transport of fatty acids 4–7 and cholesterol 1,4,8 across the impermeable mycobacterial cell envelope. Very little is known about how cargos are transported across this barrier, and how the ~10 proteins encoded in a mycobacterial mce gene cluster might assemble to transport cargo across the cell envelope remains unknown. Here we report the cryo-EM structure of the endogenous Mce1 fatty acid import machine from Mycobacterium smegmatis , a non-pathogenic relative of Mtb . The structure reveals how the proteins of the Mce1 system assemble to form an elongated ABC transporter complex, long enough to span the cell envelope. The Mce1 complex is dominated by a curved, needle-like domain that appears to be unrelated to previously described protein structures, and creates a protected hydrophobic pathway for lipid transport across the periplasm. Unexpectedly, our structural data revealed the presence of a previously unknown subunit of the Mce1 complex, which we identified using a combination of cryo-EM and AlphaFold2, and name LucB. Our data lead to a structural model for Mce1-mediated fatty acid import across the mycobacterial cell envelope.

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.

Summary Transcription-coupled repair (TCR) is a sub-pathway of nucleotide excision repair (NER) that preferentially removes lesions from the template-strand (t-strand) that stall RNA polymerase (RNAP) elongation complexes (EC). Mfd mediates TCR in bacteria by removing the stalled RNAP concealing the lesion and recruiting Uvr(A)BC. We used cryo-electron microscopy to visualize Mfd engaging with a stalled EC and attempting to dislodge the RNAP. We visualized seven distinct Mfd-EC complexes in both ATP and ADP-bound states. The structures explain how Mfd is remodeled from its repressed conformation, how the UvrA-interacting surface of Mfd is hidden during most of the remodeling process to prevent premature engagement with the NER pathway, how Mfd alters the RNAP conformation to facilitate disassembly, and how Mfd forms a processive translocation complex after dislodging the RNAP. Our results reveal an elaborate mechanism for how Mfd kinetically discriminates paused from stalled ECs and disassembles stalled ECs to initiate TCR.

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.