Abstract Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2), the pathogen that causes the disease COVID-19, produces replicase polyproteins 1a and 1ab that contain, respectively, 11 or 16 nonstructural proteins (nsp). Nsp5 is the main protease (M pro ) responsible for cleavage at eleven positions along these polyproteins, including at its own N- and C-terminal boundaries, representing essential processing events for subsequent viral assembly and maturation. We have determined X-ray crystallographic structures of this cysteine protease in its wild-type free active site state at 1.8 Å resolution, in its acyl-enzyme intermediate state with the native C-terminal autocleavage sequence at 1.95 Å resolution and in its product bound state at 2.0 Å resolution by employing an active site mutation (C145A). We characterize the stereochemical features of the acyl-enzyme intermediate including critical hydrogen bonding distances underlying catalysis in the Cys/His dyad and oxyanion hole. We also identify a highly ordered water molecule in a position compatible for a role as the deacylating nucleophile in the catalytic mechanism and characterize the binding groove conformational changes and dimerization interface that occur upon formation of the acyl-enzyme. Collectively, these crystallographic snapshots provide valuable mechanistic and structural insights for future antiviral therapeutic development including revised molecular docking strategies based on M pro inhibition.

Forward genetic screens represent powerful, unbiased approaches to uncover novel components in any biological process. Such screens suffer from a major bottleneck, however, namely the cloning of corresponding genes causing the phenotypic variation. Reverse genetic screens have been employed as a way to circumvent this issue, but can often be limited in scope. Here we demonstrate an innovative approach to gene discovery. Using C. elegans as a model system, we used a whole-genome sequenced multi-mutation library, from the Million Mutation Project, together with the Sequence Kernel Association Test (SKAT), to rapidly screen for and identify genes associated with a phenotype of interest, namely defects in dye-filling of ciliated sensory neurons. Such anomalies in dye-filling are often associated with the disruption of cilia, organelles which in humans are implicated in sensory physiology (including vision, smell and hearing), development and disease. Beyond identifying several well characterised dye-filling genes, our approach uncovered three genes not previously linked to ciliated sensory neuron development or function. From these putative novel dye-filling genes, we confirmed the involvement of BGNT-1.1 in ciliated sensory neuron function and morphogenesis. BGNT-1.1 functions at the trans-Golgi network of sheath cells (glia) to influence dye-filling and cilium length, in a cell non-autonomous manner. Notably, BGNT-1.1 is the orthologue of human B3GNT1/B4GAT1, a glycosyltransferase associated with Walker-Warburg syndrome (WWS). WWS is a multigenic disorder characterised by muscular dystrophy as well as brain and eye anomalies. Together, our work unveils an effective and innovative approach to gene discovery, and provides the first evidence that B3GNT1-associated Walker-Warburg syndrome may be considered a ciliopathy.

The Caenorhabditis elegans Gene Knockout (KO) Consortium is tasked with obtaining null mutations in each of the more than 20,000 open reading frames (ORFs) of this organism. To date, approximately 15,000 ORFs have associated putative null alleles. A directed approach using CRISPR/Cas9 methodology is the most promising technique to complete the task. While there has been substantial success in using CRISPR/Cas9 in C. elegans, there has been little emphasis on optimizing the method for generating large insertions/deletions in this organism. To enhance the efficiency of using CRISPR/Cas9 to generate gene knockouts in C. elegans we have developed an online species-specific guide RNA selection tool (http://genome.sfu.ca/crispr). When coupled with previously developed selection vectors, optimization for homology arm length, and the use of purified Cas9 protein, we demonstrate a robust, efficient and effective protocol for generating deletions. Debate and speculation in the larger scientific community about off-target effects due to non-specific Cas9 cutting has prompted us to investigate through whole genome sequencing the occurrence of single nucleotide variants and indels accompanying targeted deletions. We did not detect any off-site variants above the natural spontaneous mutation rate and therefore conclude this modified protocol does not generate off-target events to any significant degree in C. elegans.