Abstract Non-structural protein 1 (Nsp1) is a main pathogenicity factor of α - and β -coronaviruses. Nsp1 of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) suppresses the host gene expression by sterically blocking 40S host ribosomal subunits and promoting host mRNA degradation. This mechanism leads to the downregulation of the translation-mediated innate immune response in host cells, ultimately mediating the observed immune evasion capabilities of SARS-CoV-2. Here, by combining extensive Molecular Dynamics simulations, fragment screening and crystallography, we reveal druggable pockets in Nsp1. Structural and computational solvent mapping analyses indicate the partial crypticity of these newly discovered and druggable binding sites. The results of fragment-based screening via X-ray crystallography confirm the druggability of the major pocket of Nsp1. Finally, we show how the targeting of this pocket could disrupt the Nsp1-mRNA complex and open a novel avenue to design new inhibitors for other Nsp1s present in homologous β -coronaviruses.

Summary Epidermal growth factor receptor (EGFR) is central to cell growth in physiology and pathophysiologies, including non-small cell lung cancer (NSCLC). EGFR has been successfully targeted with tyrosine kinase inhibitor generations, but the missense secondary T766M mutation is a common cause of resistance. Overcoming this therapeutic challenge has been hindered by poor understanding of how T766M dysregulates EGFR function leading to tumor progression. Here we show that T766M amplifies tumor growth in vivo by exploiting newly discovered oligomer assembly mechanisms employed by wild type (WT)-EGFR to maintain ligand-independent basal phosphorylation. These mechanisms, also shared by drug-resistant exon 20 EGFR insertions, reveal tumor growth promoting functions for hitherto orphan transmembrane and kinase interfaces and for the ectodomain tethered conformation of EGFR. Placing our findings into the context of a ligand-free oligomer structure model, we provide a framework for future drug discovery directed at tackling EGFR mutations in cancer by disabling oligomer-assembling interactions.

Abstract Allosteric effects control protein (e.g. enzyme) activity in ways that are not fully understood. Better understanding of allosteric effects, and tools to identify them, would offer promising alternative strategies to inhibitor development. Through a combination of equilibrium and nonequilibrium molecular dynamics simulations, we identify allosteric effects and communication pathways from two distant ligand binding sites to important active site structural elements that control enzymatic activity in two prototypical class A β-lactamases, TEM-1 and KPC-2. Both of these enzymes are important determinants of antibiotic resistance in widespread bacterial pathogens. The simulations show that the allosteric sites are connected to the active site in both enzymes, (e.g. affecting the conformation of the Ω-loop) highlighting how allosteric inhibitors may exert their effects. Nonequilibrium simulations reveal pathways of communication operating over distances of 30 Å or more. In these identified signaling pathways, the propagation of the signal occurs through cooperative coupling of loop dynamics. Notably, 50% or more clinically relevant amino acid substitutions in each enzyme map onto the identified signal transduction pathways. This suggests that clinically important variation may affect, or be driven by, differences in allosteric behavior, providing a mechanism by which amino acid substitutions may affect the relationship between spectrum of activity, catalytic turnover and potential allosteric behavior in this clinically important enzyme family. Simulations of the type presented here will help in identifying and analyzing such differences.

Abstract The MAP kinase p38α is a central component of signalling in inflammation and the immune response and is, therefore, an important drug target. Little is known about the molecular mechanism of its activation by double-phosphorylation from MAP2Ks, due to the challenge of trapping a transient and dynamic hetero-kinase complex. Here, we applied a multidisciplinary approach to generate the first structure of p38α in complex with its MAP2K MKK6 and understand the activation mechanism. Integrating cryo-EM with MD simulations, HDX-MS and in cellulo experiments, we demonstrate a dynamic, multi-step, phosphorylation mechanism, reveal new catalytically relevant interactions, and show that MAP2K disordered N-termini determine pathway specificity. Our work captures, for the first time, a fundamental step of cell signalling: a kinase phosphorylating its downstream target kinase. One-Sentence Summary: Integrative Cryo-EM and MD analysis of an active hetero-kinase complex reveals details of cellular signal transmission

Abstract The sperm-specific channel CatSper ( cat ion channel of sper m) controls the intracellular Ca 2+ concentration ([Ca 2+ ] i ) and plays an essential role in sperm function. It is mainly activated by the steroid progesterone (P4) but is also promiscuously activated by a wide range of synthetic and physiological compounds. These compounds include diverse steroids whose action on the channel is so far still controversial. To investigate the effect of these compounds on CatSper and sperm function, we developed a high-throughput-screening (HTS) assay to measure changes in [Ca 2+ ] i in human sperm and screened 1,280 approved and off-patent drugs including 90 steroids from the Prestwick chemical library. More than half of the steroids tested (53%) induced an increase in [Ca 2+ ] i and reduced the P4-induced Ca 2+ influx in human sperm in a dose-dependent manner. Ten of the most potent steroids (activating and inhibiting) were selected for a detailed analysis of their action on CatSper and their ability to act on sperm motility, acrosomal exocytosis (AR), and penetration in viscous media. We found that these steroids show an inhibitory effect on P4 but not on prostaglandin E1-induced CatSper activation, suggesting that they compete for the same binding site as P4. Pregnenolone, dydrogesterone, epiandrosterone, nandrolone, and dehydroepiandrosterone acetate (DHEA) were found to activate CatSper at physiological concentrations. Stanozolol, epiandrosterone, and pregnenolone induced AR similarly to P4, whereas stanozolol and estropipate induced an increase in sperm penetration into viscous medium. Furthermore, using a hybrid approach integrating pharmacophore analysis and statistical modelling, we were able to screen in silico for steroids that can activate the channel and define the physicochemical and structural properties required for a steroid to exhibit agonist activity against CatSper. Overall, our results indicate that not only physiological but also synthetic steroids can modulate the activity of CatSper with varying potency and affect human sperm functions in vitro .