Recent reports of increased tolerance to artemisinin derivatives--the most recently adopted class of antimalarials--have prompted a need for new treatments. The spirotetrahydro-beta-carbolines, or spiroindolones, are potent drugs that kill the blood stages of Plasmodium falciparum and Plasmodium vivax clinical isolates at low nanomolar concentration. Spiroindolones rapidly inhibit protein synthesis in P. falciparum, an effect that is ablated in parasites bearing nonsynonymous mutations in the gene encoding the P-type cation-transporter ATPase4 (PfATP4). The optimized spiroindolone NITD609 shows pharmacokinetic properties compatible with once-daily oral dosing and has single-dose efficacy in a rodent malaria model.

Summary The generation of high-quality antibody responses to PfCSP, the primary surface antigen of Plasmodium falciparum sporozoites, is paramount to the development of an effective malaria vaccine. Here we present an in-depth structural and functional analysis of a panel of potent antibodies encoded by the IGHV3-33 germline gene, which is among the most prevalent and potent antibody families induced in the anti-CSP immune response and targets the NANP repeat region. Cryo-EM reveals a remarkable spectrum of helical Fab-CSP structures stabilized by homotypic interactions between tightly packed Fabs, many of which correlate with somatic hypermutation. We demonstrate a key role of these mutated homotypic contacts for high avidity binding to CSP and in protection from P. falciparum malaria infection. These data emphasize the importance of anti-homotypic affinity maturation in the frequent selection of IGHV3-33 antibodies, advance our understanding of the mechanism(s) of antibody-mediated protection, and inform next generation CSP vaccine design.

Abstract The most advanced P. falciparum circumsporozoite protein (PfCSP)-based malaria vaccine, RTS,S/AS01 (RTS,S), confers partial protection but with antibody titers that wane relatively rapidly, highlighting the need to elicit more potent and durable antibody responses. Here, we elucidate crystal structures, binding affinities and kinetics, and in vivo protection of eight anti-NANP antibodies (Abs) derived from an RTS,S phase 2a trial and encoded by three different heavy-chain germline genes. The structures reinforce the importance of homotypic Fab-Fab interactions in protective Abs and the overwhelmingly dominant preference for a germline-encoded aromatic residue for recognition of the NANP motif. A number of biophysical properties were analyzed and antibody affinity correlated best with protection in an in vivo mouse model, with the more potent antibodies also recognizing epitopes with repeating secondary structural motifs of type I β- and Asn pseudo 3 10 turns. Such insights can be incorporated into design of more effective immunogens as well as antibodies for passive immunization.

Caspases are a critical class of proteases involved in regulating programmed cell death and other biological processes. Selective inhibitors of individual caspases, however, are lacking, due in large part to the high structural similarity found in the active sites of these enzymes. We recently discovered a small-molecule inhibitor, 63- R , that covalently binds the zymogen, or inactive precursor (pro-form), of caspase-8, but not other caspases, pointing to an untapped potential of procaspases as targets for chemical probes. Realizing this goal would benefit from a structural understanding of how small molecules bind to and inhibit caspase zymogens. There have, however, been very few reported procaspase structures. Here, we employ x-ray crystallography to elucidate a procaspase-8 crystal structure in complex with 63- R , which reveals large conformational changes in active-site loops that accommodate the intramolecular cleavage events required for protease activation. Combining these structural insights with molecular modeling and mutagenesis-based biochemical assays, we elucidate key interactions required for 63- R inhibition of procaspase-8. Our findings inform the mechanism of caspase activation and its disruption by small molecules, and, more generally, have implications for the development of small molecule inhibitors and/or activators that target alternative ( e.g ., inactive precursor) protein states to ultimately expand the druggable proteome.

The individual roles and overlapping functionalities the twelve human caspases have during apoptosis and other cellular processes remain poorly resolved primarily due to a lack of chemical tools. Here we present a new selective caspase-3 inhibitor, termed Ac-ATS010-KE, with rapid and irreversible binding kinetics. Relative to previously designed caspase-3-selective molecules that have tremendously abated inhibitory rates and thus limited use in biological settings, the improved kinetics of Ac-ATS010-KE permit its use in a cell-based capacity. We demonstrate that Ac-ATS010-KE prevents apoptosis with comparable efficacy to the general caspase inhibitor Ac-DEVD-KE and surprisingly does so without side-chain methylation. This observation is in contrast to the well-established peptide modification strategy typically employed for improving cellular permeability. Ac-ATS010-KE protects against extrinsic apoptosis, which demonstrates the utility of a thiophene carboxylate leaving group in biological settings, challenges the requisite neutralization of free carboxylic acids to improve cell permeability, and provides a tool-like compound to interrogate the role of caspase-3 in a variety of cellular processes.

The most advanced monoclonal antibodies (mAbs) and vaccines against malaria target the central repeat region or closely related sequences within the Plasmodium falciparum circumsporozoite protein (PfCSP). Here, using an antigen-agnostic strategy to investigate human antibody responses to whole sporozoites, we identified a class of mAbs that target a cryptic PfCSP epitope that is only exposed after cleavage and subsequent pyroglutamylation (pGlu) of the newly formed N terminus. This pGlu-CSP epitope is not targeted by current anti-PfCSP mAbs and is not included in the licensed malaria vaccines. MAD21-101, the most potent mAb in this class, confers sterile protection against Pf infection in a human liver–chimeric mouse model. These findings reveal a site of vulnerability on the sporozoite surface that can be targeted by next-generation antimalarial interventions.

Commensal bacteria secrete proteins and metabolites to influence host intestinal homeostasis and proteases represent a significant constituent of the components at the host:microbiome interface. Here, we determined the structures of the two secreted C11 cysteine proteases encoded by the established gut commensal Bacteroides thetaiotaomicron. We employed mutational analysis to demonstrate the two proteases, termed thetapain and iotapain, undergo in trans self-maturation after lysine and/or arginine residues, as observed for other C11 proteases. We determined the structures of the active forms of thetapain and iotapain in complex with irreversible peptide inhibitors, Ac-VLTK-AOMK and biotin-VLTK-AOMK, respectively. Structural comparisons revealed key active-site interactions important for peptide recognition are more extensive for thetapain; however, both proteases employ a glutamate residue to preferentially bind small polar residues at the P2 position. Our results will aid in the design of protease-specific probes to ultimately understand the biological role of C11 proteases in bacterial fitness, elucidate their host and/or microbial substrates, and interrogate their involvement in microbiome-related diseases.