New protein parameters are reported for the all-atom empirical energy function in the CHARMM program. The parameter evaluation was based on a self-consistent approach designed to achieve a balance between the internal (bonding) and interaction (nonbonding) terms of the force field and among the solvent-solvent, solvent-solute, and solute-solute interactions. Optimization of the internal parameters used experimental gas-phase geometries, vibrational spectra, and torsional energy surfaces supplemented with ab initio results. The peptide backbone bonding parameters were optimized with respect to data for N-methylacetamide and the alanine dipeptide. The interaction parameters, particularly the atomic charges, were determined by fitting ab initio interaction energies and geometries of complexes between water and model compounds that represented the backbone and the various side chains. In addition, dipole moments, experimental heats and free energies of vaporization, solvation and sublimation, molecular volumes, and crystal pressures and structures were used in the optimization. The resulting protein parameters were tested by applying them to noncyclic tripeptide crystals, cyclic peptide crystals, and the proteins crambin, bovine pancreatic trypsin inhibitor, and carbonmonoxy myoglobin in vacuo and in crystals. A detailed analysis of the relationship between the alanine dipeptide potential energy surface and calculated protein φ, χ angles was made and used in optimizing the peptide group torsional parameters. The results demonstrate that use of ab initio structural and energetic data by themselves are not sufficient to obtain an adequate backbone representation for peptides and proteins in solution and in crystals. Extensive comparisons between molecular dynamics simulations and experimental data for polypeptides and proteins were performed for both structural and dynamic properties. Energy minimization and dynamics simulations for crystals demonstrate that the latter are needed to obtain meaningful comparisons with experimental crystal structures. The presented parameters, in combination with the previously published CHARMM all-atom parameters for nucleic acids and lipids, provide a consistent set for condensed-phase simulations of a wide variety of molecules of biological interest.

Abstract Twenty‐five years after the discovery of a vast class of organic reactions named “pericyclic reactions” by Woodward and Hoffmann, ab initio quantum mechanics provides a detailed analysis of the geometries, energies, and electronic characteristics of the transition structures of these reactions. Common features are found in all these reactions, and generalizations permit prediction of other transition‐structure geometries and energies. At the same time, great diversity is observed—from strongly bonded, rigid, closed‐shell entities to weakly interacting, flexible diradical structures.

Abstract Multiple molecular dynamics (MD) simulations of crambin with different initial atomic velocities are used to sample conformations in the vicinity of the native structure. Individual trajectories of length up to 5 ns sample only a fraction of the conformational distribution generated by ten independent 120 ps trajectories at 300 K. The backbone atom conformational space distribution is analyzed using principal components analysis (PCA). Four different major conformational regions are found. In general, a trajectory samples only one region and few transitions between the regions are observed. Consequently, the averages of structural and dynamic properties over the ten trajectories differ significantly from those obtained from individual trajectories. The nature of the conformational sampling has important consequences for the utilization of MD simulations for a wide range of problems, such as comparisons with X‐ray or NMR data. The overall average structure is significantly closer to the X‐ray structure than any of the individual trajectory average structures. The high frequency (less than 10 ps) atomic fluctuations from the ten trajectories tend to be similar, but the lower frequency (100 ps) motions are different. To improve conformational sampling in molecular dynamics simulations of proteins, as in nucleic acids, multiple trajectories with different initial conditions should be used rather than a single long trajectory.

ABSTRACT The ongoing COVID-19 pandemic highlights the necessity for a more fundamental understanding of the coronavirus life cycle. The causative agent of the disease, SARS-CoV-2, is being studied extensively from a structural standpoint in order to gain insight into key molecular mechanisms required for its survival. Contained within the untranslated regions of the SARS-CoV-2 genome are various conserved stem-loop elements that are believed to function in RNA replication, viral protein translation, and discontinuous transcription. While the majority of these regions are variable in sequence, a 41-nucleotide s2m element within the 3’ UTR is highly conserved among coronaviruses and three other viral families. In this study, we demonstrate that the s2m element of SARS-CoV-2 dimerizes by forming an intermediate homodimeric kissing complex structure that is subsequently converted to a thermodynamically stable duplex conformation. This process is aided by the viral nucleocapsid protein, potentially indicating a role in mediating genome dimerization. Furthermore, we demonstrate that the s2m element interacts with multiple copies of host cellular miRNA-1307-3p. Taken together, our results highlight the potential significance of the dimer structures formed by the s2m element in key biological processes and implicate the motif as a possible therapeutic drug target for COVID-19 and other coronavirus-related diseases.

We have developed a diastereoselective synthesis of 43 novel 7-azanorbornanes using tertiary amine N-oxides and substituted alkenes. Our method uses an efficient [3 + 2] cycloaddition, starting from either commercially available or easily accessible precursors to generate yields up to 97% and diastereomeric ratios up to >20:1. Density functional theory (DFT) calculations were performed, suggesting that the observed diastereoselectivity is likely due to steric considerations.

Abstract The stem loop 2 motif (s2m), a highly conserved 41-nucleotide hairpin structure in the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) genome, serves as an attractive therapeutic target that may have important roles in the virus life cycle or interactions with the host. However, the conserved s2m in Delta SARS-CoV-2, a previously dominant variant characterized by high infectivity and disease severity, has received relatively less attention than that of the original SARS-CoV-2 virus. The focus of this work is to identify and define the s2m changes between Delta and SARS-CoV-2 and subsequent impact of those changes upon the s2m dimerization and interactions with the host microRNA miR-1307-3p. Bioinformatics analysis of the GISAID database targeting the s2m element reveals a greater than 99% correlation of a single nucleotide mutation at the 15 th position (G15U) in Delta SARS-CoV-2. Based on 1 H NMR assignments comparing the imino proton resonance region of s2m and the G15U at 19°C, we find that the U15-A29 base pair closes resulting in a stabilization of the upper stem without overall secondary structure deviation. Increased stability of the upper stem did not affect the chaperone activity of the viral N protein, as it was still able to convert the kissing dimers formed by s2m G15U into a stable duplex conformation, consistent with the s2m reference. However, we find that the s2m G15U mutation drastically reduces the binding affinity of the host miR-1307-3p. These findings demonstrate that the observed G15U mutation alters the secondary structure of s2m with subsequent impact on viral binding of host miR-1307-3p, with potential consequences on the immune response.