Coronaviruses cause respiratory tract infections in humans and outbreaks of deadly pneumonia worldwide. Infections are initiated by the transmembrane spike (S) glycoprotein, which binds to host receptors and fuses the viral and cellular membranes. To understand the molecular basis of coronavirus attachment to oligosaccharide receptors, we determined cryo-EM structures of coronavirus OC43 S glycoprotein trimer in isolation and in complex with a 9-O-acetylated sialic acid. We show that the ligand binds with fast kinetics to a surface-exposed groove and that interactions at the identified site are essential for S-mediated viral entry into host cells, but free monosaccharide does not trigger fusogenic conformational changes. The receptor-interacting site is conserved in all coronavirus S glycoproteins that engage 9-O-acetyl-sialogycans, with an architecture similar to those of the ligand-binding pockets of coronavirus hemagglutinin esterases and influenza virus C/D hemagglutinin-esterase fusion glycoproteins. Our results demonstrate these viruses evolved similar strategies to engage sialoglycans at the surface of target cells.

Human betacoronaviruses OC43 and HKU1 are endemic respiratory pathogens and, while related, originated from independent zoonotic introductions. OC43 is in fact a host-range variant of the species Betacoronavirus-1 , and more closely related to bovine coronavirus (BCoV)—its presumptive ancestor—and porcine hemagglutinating encephalomyelitis virus (PHEV). The β1-coronaviruses (β1CoVs) and HKU1 employ glycan-based receptors carrying 9- O -acetylated sialic acid (9- O -Ac-Sia). Receptor binding is mediated by spike protein S, the main determinant of coronavirus host specificity. For BCoV, a crystal structure for the receptor-binding domain S1 A is available and for HKU1 a cryoelectron microscopy structure of the complete S ectodomain. However, the location of the receptor-binding site (RBS), arguably the single-most important piece of information, is unknown. Here we solved the 3.0-Å crystal structure of PHEV S1 A . We then took a comparative structural analysis approach to map the β1CoV S RBS, using the general design of 9- O -Ac-Sia-binding sites as blueprint, backed-up by automated ligand docking, structure-guided mutagenesis of OC43, BCoV, and PHEV S1 A , and infectivity assays with BCoV-S–pseudotyped vesicular stomatitis viruses. The RBS is not exclusive to OC43 and related animal viruses, but is apparently conserved and functional also in HKU1 S1 A . The binding affinity of the HKU1 S RBS toward short sialoglycans is significantly lower than that of OC43, which we attribute to differences in local architecture and accessibility, and which may be indicative for differences between the two viruses in receptor fine-specificity. Our findings challenge reports that would map the OC43 RBS elsewhere in S1 A and that of HKU1 in domain S1 B .

Coronavirus spike proteins mediate receptor binding and membrane fusion, making them prime targets for neutralizing antibodies. In the cases of severe acute respiratory syndrome coronavirus, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 and Middle East respiratory syndrome coronavirus, spike proteins transition freely between open and closed conformations to balance host cell attachment and immune evasion1–5. Spike opening exposes domain S1B, allowing it to bind to proteinaceous receptors6,7, and is also thought to enable protein refolding during membrane fusion4,5. However, with a single exception, the pre-fusion spike proteins of all other coronaviruses studied so far have been observed exclusively in the closed state. This raises the possibility of regulation, with spike proteins more commonly transitioning to open states in response to specific cues, rather than spontaneously. Here, using cryogenic electron microscopy and molecular dynamics simulations, we show that the spike protein of the common cold human coronavirus HKU1 undergoes local and long-range conformational changes after binding a sialoglycan-based primary receptor to domain S1A. This binding triggers the transition of S1B domains to the open state through allosteric interdomain crosstalk. Our findings provide detailed insight into coronavirus attachment, with possibilities of dual receptor usage and priming of entry as a means of immune escape.

Abstract Due to the accelerated appearance of antibiotic-resistant (AMR) pathogens in clinical infections, new first-in-class antibiotics, operating via novel modes of action, are desperately-needed. Brevicidine, a bacterial non-ribosomally produced cyclic lipopeptide, has shown potent and selective antimicrobial activity against Gram-negative pathogens. However, before our investigations, little was known about how brevicidine exerts its potent bactericidal effect against Gram-negative pathogens. In this study, we find that brevicidine has potent antimicrobial activity against AMR Enterobacteriaceae pathogens, with a MIC value ranging between 0.5μM (0.8mg/L) and 2μM (3.0mg/L). In addition, brevicidine showed potent anti-biofilm activity against the Enterobacteriaceae pathogens, with same 100% inhibition and 100% eradication concentration of 4μM (6.1mg/L). Further mechanistic studies showed that brevicidine exerts its potent bactericidal activity via interacting with lipopolysaccharide in the outer membrane, targeting phosphatidylglycerol and cardiolipin in the inner membrane, and dissipating the proton motive force of bacteria. This results in metabolic perturbation, including inhibition of adenosine triphosphate synthesis, inhibits the dehydrogenation of nicotinamide adenine dinucleotides, accumulation of reactive oxygen species in bacteria, and inhibition of protein synthesis. Lastly, brevicidine showed a good therapeutic effect in a mouse peritonitis–sepsis model. Our findings pave the way for further research on clinical applications of brevicidine, to combat the prevalent infections caused by AMR Gram-negative pathogens worldwide.

Abstract Coronavirus (CoV) spikes mediate receptor binding and membrane fusion, making them prime targets for neutralising antibodies. In the cases of SARS-CoV, SARS-CoV-2, and MERS-CoV, spikes transition freely between open and closed conformations to balance host cell attachment and immune evasion. The open conformation exposes domain S1 B , allowing it to bind to proteinaceous cell surface receptors. It also facilitates protein refolding during spike-mediated membrane fusion. However, with a single exception, the pre-fusion spikes of all other CoVs studied so far have been observed exclusively in the closed state. This raises the possibility of regulation, where spikes more commonly transition to open states in response to specific cues, rather than spontaneously. In our study, using cryo-EM and molecular dynamics simulations, we show that the spike protein of the common cold human coronavirus HKU1 undergoes local and long-range conformational changes upon binding a sialoglycan-based primary receptor to domain S1 A . This binding triggers the transition of S1 B domains to the open state via allosteric inter-domain cross-talk. Our findings paint a more elaborate picture of CoV attachment, with possibilities of dual receptor usage and priming of entry as a means of immune escape.

Human coronaviruses OC43 and HKU1 are respiratory pathogen of zoonotic origin that have gained worldwide distribution. OC43 apparently emerged from a bovine coronavirus (BCoV) spill-over. All three viruses attach to 9-O-acetylated sialoglycans via spike protein S with hemagglutinin-esterase HE acting as a receptor-destroying enzyme. In BCoV, an HE lectin domain promotes esterase activity towards clustered substrates. OC43 and HKU1, however, lost HE lectin function as an adaptation to humans. Replaying OC43 evolution, we knocked-out BCoV HE lectin function and performed forced evolution-population dynamics analysis. Loss of HE receptor-binding selected for second-site mutations in S, decreasing S binding affinity by orders of magnitude. Irreversible HE mutations selected for cooperativity in virus swarms with low-affinity S minority variants sustaining propagation of high-affinity majority phenotypes. Salvageable HE mutations induced successive second-site substitutions in both S and HE. Apparently, S and HE are functionally interdependent and co-evolve to optimize the balance between attachment and release. This mechanism of glycan-based receptor usage, entailing a concerted, fine-tuned activity of two envelope protein species, is unique among CoVs, but reminiscent of that of influenza A viruses (IAVs). Apparently, general principles fundamental to virion-sialoglycan interactions prompted convergent evolution of two important groups of human and animal pathogens.

The human betacoronaviruses HKU1 and OC43 (subgenus Embecovirus) arose from separate zoonotic introductions, OC43 relatively recently and HKU1 apparently much longer ago. Embecovirus particles are studded with two types of surface projections called S (for spike) and HE (for haemagglutinin-esterase), with S mediating receptor-binding and membrane fusion and HE acting as a receptor-destroying enzyme. Together, they promote dynamic virion attachment to glycan-based receptors with 9- O -acetylated sialic acid as main constituent. We recently showed that adaptation of HKU1 and OC43 to replication in the human respiratory tract involved loss-of-function mutations in the lectin domain of HE. Here we present the cryo-EM structure of the ∼80 kDa, heavily glycosylated HKU1 HE at a global resolution of 3.4 Å. Comparison to existing HE structures reveals a drastically truncated lectin domain, incompatible with sialic acid binding, but with the structure and function of the HE esterase domain left intact. Our cryo-EM structure, in combination with mass spectrometry analysis, also describes the extent of glycosylation on the now redundant lectin domain, which forms a putative glycan shield. The findings further our insight into the evolution and host adaptation of human embecoviruses and also demonstrate the utility of cryo-EM for studying small, heavily glycosylated proteins which are intractable to X-ray crystallography.