SARS-CoV-2 spike (S) mediates entry into cells and is critical for vaccine development against COVID-19. S is synthesized as a precursor, processed into S1 and S2 by furin proteases, and activated for fusion when human angiotensin-converting enzyme 2 (hACE2) engages the receptor-binding domain (RBD) and when the N-terminus of S2 is proteolytically processed. Structures of soluble ectodomains and native virus particles have revealed distinct conformations of S, including a closed trimer with all RBD oriented downward, trimers with one or two RBDs up, and hACE2-stabilized conformations with up to three RBD oriented up. Real-time information that connects these structures, however, has been lacking. Here we apply single-molecule Forster Resonance Energy Transfer (smFRET) imaging to observe conformational dynamics of S on virus particles. Virus-associated S dynamically samples at least four distinct conformational states. In response to hACE2, S opens into the hACE2-bound S conformation through at least one on-path intermediate, with trypsin partially activating S. Conformational preferences of convalescent patient plasma and monoclonal antibodies suggest mechanisms of neutralization involving either direct competition with hACE2 for binding to RBD or allosteric interference with conformational changes required for entry. Our findings inform on mechanisms of S recognition and on conformations for immunogen design.

Type III protein secretion systems are essential virulence factors for many important pathogenic bacteria. The entire protein secretion machine is composed of several substructures that organize into a holostructure or injectisome. The core component of the injectisome is the needle complex, which houses the export apparatus that serves as a gate for the passage of the secreted proteins through the bacterial inner membrane. Here we describe a high-resolution structure of the export apparatus of the Salmonella type III secretion system in association with the needle complex and the underlying bacterial membrane, both in isolation and in situ. We show the precise location of the core export apparatus components within the injectisome and bacterial envelope and demonstrate that their deployment results in major membrane remodeling and thinning, which may be central for the protein translocation process. We also show that InvA, a critical export apparatus component, forms a multi-ring cytoplasmic conduit that provides a pathway for the type III secretion substrates to reach the entrance of the export gate. Combined with structure-guided mutagenesis, our studies provide major insight into potential mechanisms of protein translocation and injectisome assembly.

Many important gram-negative bacterial pathogens use highly sophisticated type III secretion systems (T3SSs) to establish complex host-pathogen interactions. Bacterial-host cell contact triggers the activation of the T3SS and the subsequent insertion of a translocon pore into the target cell membrane, which serves as a conduit for the passage of effector proteins. Therefore the initial interaction between T3SS-bearing bacteria and host cells is the critical step in the deployment of the protein secretion machine, yet this process remains poorly understood. Here, we use high-throughput cryo-electron tomography (cryo-ET) to visualize the T3SS-mediated Salmonella-host cell interface. Our analysis reveals the intact translocon at an unprecedented level of resolution, its deployment in the host cell membrane, and the establishment of an intimate association between the bacteria and the target cells, which is essential for effector translocation. Our studies provide critical data supporting the long postulated direct injection model for effector translocation.