ABSTRACT The virus that causes COVID-19, SARS-CoV-2, has a large RNA genome that encodes numerous proteins that might be targets for antiviral drugs. Some of these proteins, such as the RNA-dependent RNA polymers, helicase and main protease, are well conserved between SARS-CoV-2 and the original SARS virus, but several others are not. This study examines one of the proteins encoded by SARS-CoV-2 that is most different, a macrodomain of nonstructural protein 3 (nsp3). Although 26% of the amino acids in this SARS-CoV-2 macrodomain differ from those seen in other coronaviruses, biochemical and structural data reveal that the protein retains the ability to bind ADP-ribose, which is an important characteristic of beta coronaviruses, and potential therapeutic target.

ABSTRACT Small molecules that bind the SARS-CoV-2 non-structural protein 3 Mac1 domain in place of ADP-ribose could be useful as molecular probes or scaffolds for COVID-19 antiviral drug discovery because Mac1 has been linked to coronavirus’ ability to evade cellular detection. A high-throughput assay based on differential scanning fluorimetry (DSF) was therefore optimized and used to identify possible Mac1 ligands in small libraries of drugs and drug-like compounds. Numerous promising compounds included nucleotides, steroids, beta-lactams, and benzimidazoles. The main drawback to this approach was that a high percentage of compounds in some libraries were found to influence the observed Mac1 melting temperature. To prioritize DSF screening hits, the shapes of the observed melting curves and initial assay fluorescence were examined, and the results were compared with virtual screens performed using Autodock VINA. The molecular basis for alternate ligand binding was also examined by determining a structure of one of the hits, cyclic adenosine monophosphate, with atomic resolution.

Abstract MppQ is an enzyme of unknown function from Streptomyces hygroscopicus that is involved in the biosynthesis of the nonproteinogenic amino acid L-enduracididine (L-End). Since L-End is a component of several peptides showing high activity against methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), a complete understanding of its biosynthetic pathway is of utmost importance for developing chemoenzymatic routes for syntheses of novel antibiotics. In this work, we report high-resolution X-ray crystal structures of MppQ complexed with pyridoxal-5’-phosphate (PLP) and pyridoxamine-5’-phosphate (PMP). The structure of MppQ shares a fold with known Type I PLP-dependent aminotransferases, consisting of an N-terminal extension, large domain, and a small domain. We also report the first functional characterization of MppQ, which we incubated with enzymatically produced 2-ketoenduracidine and observed conversion to L-End via mass spectroscopy. Additionally, we have observed that MppQ has a relatively high affinity for 2-ketoarginine, a shunt product in the L-End biosynthetic pathway, indicating a possible role of MppQ in increasing efficiency of L-End biosynthesis by converting 2-ketoarginine back to the starting material, L-arginine.

The biosynthetic pathway of actinorhodin in Streptomyces coelicolor A3(2) has been studied for decades as a model system of type II polyketide biosynthesis. The actinorhodin biosynthetic gene cluster includes a gene, actVI-orfA, that encodes a protein that belongs to the nuclear transport factor-2-like (NTF-2-like) superfamily. The function of this ActVI-ORFA protein has been a long-standing question in this field. Several hypothetical functions, including pyran ring cyclase, enzyme complex stability enhancer, and gene transcription regulator, have been proposed for ActVI-ORFA in previous studies. However, although the recent structural analysis of ActVI-ORFA revealed a solvent-accessible cavity, the protein displayed structural differences to the well-characterized cyclase SnoaL and did not possess a DNA-binding domain. The obtained crystal structure facilitates an inspection of the previous hypotheses regarding the function of ActVI-ORFA. In the present study, we investigated the effects of a series of actVI-orfA test plasmids with different mutations in an established vector/host system. Time-course analysis of dynamic metabolism profiles demonstrated that ActVI-ORFA prevented formation of shunt metabolites and may have a metabolic flux directing function, which shepherds the flux of unstable intermediates towards actinorhodin. The expression studies resulted in the isolation and structure elucidation of two new shunt metabolites from the actinorhodin pathway. Next, we utilized computational modeling to probe the active site of ActVI-ORFA and confirmed the importance of residues R76 and H78 in the flux directing functionality by expression studies. This is the first time such a function has been observed for a member of NTF-2-like superfamily in Streptomyces secondary metabolism.

ABSTRACT The E. coli glyoxylate reductase/hydroxypyruvate reductase A (EcGhrA) was investigated as a coupling enzyme to monitor the transamination of 2-ketoarginine and glycine by the L-enduracididine biosynthetic enzyme MppQ. Surprisingly, 2-ketoarginine proved to be an efficient substrate for EcGhrA. Since the promiscuity of EcGhrA prevented its use as a coupling enzyme to monitor the aminotransferase activity of MppQ, we set about engineering a more specific variant. X-ray crystal structures of EcGhrA were determined in the unliganded state, as well as with glyoxylate and 2-ketoarginine bound. The electron density maps of EcGhrA with 2-ketoarginine bound showed weak electron density for the side chain of this substrate, complicating the choice of active site residues to target for site-directed mutagenesis. The structure of the complex did, however, suggest that the side chain of W45 could interact with the guanidinium group of 2-ketoarginine. We therefore generated the EcGhrA W45F variant and tested it for activity with 2-ketoarginine, glyoxylate, oxaloacetate, α-ketoglutarate, α-oxofuranacetic acid, phenyl pyruvate, 3-mercaptopyruvate and 2-ketobutyric acid. The W45F variant exhibited a ∼10-fold decrease in the specificity constant (k cat /K M ) for 2-ketoarginine, while the reaction with glyoxylate was not significantly impaired. The reactions of the W45F variant with the alternative substrates oxaloacetate and α-ketoglutarate were also impaired. Thus, the W45F variant is a less promiscuous enzyme than the wild-type. This engineered EcGhrA W45F variant could be generally useful as a coupling system for enzymes that produce glyoxylate, such as 4-hydroxy-2-oxoglutarate aldolase or isocitrate lyase.