Clathrin-mediated endocytosis (CME) regulates many cell physiological processes such as the internalization of growth factors and receptors, entry of pathogens, and synaptic transmission. Within the endocytic network, clathrin functions as a central organizing platform for coated pit assembly and dissociation via its terminal domain (TD). We report the design and synthesis of two compounds named pitstops that selectively block endocytic ligand association with the clathrin TD as confirmed by X-ray crystallography. Pitstop-induced inhibition of clathrin TD function acutely interferes with receptor-mediated endocytosis, entry of HIV, and synaptic vesicle recycling. Endocytosis inhibition is caused by a dramatic increase in the lifetimes of clathrin coat components, including FCHo, clathrin, and dynamin, suggesting that the clathrin TD regulates coated pit dynamics. Pitstops provide new tools to address clathrin function in cell physiology with potential applications as inhibitors of virus and pathogen entry and as modulators of cell signaling.

Abstract SARS-CoV-2 encodes main protease (M pro ), an attractive target for therapeutic interventions. We show M pro is susceptible to glutathionylation leading to inhibition of dimerization and activity. Activity of glutathionylated M pro could be restored with reducing agents or glutaredoxin. Analytical studies demonstrated that glutathionylated M pro primarily exists as a monomer and that a single modification with glutathione is sufficient to block dimerization and loss of activity. Proteolytic digestions of M pro revealed Cys300 as a primary target of glutathionylation, and experiments using a C300S M pro mutant revealed that Cys300 is required for inhibition of activity upon M pro glutathionylation. These findings indicate that M pro dimerization and activity can be regulated through reversible glutathionylation of Cys300 and provides a novel target for the development of agents to block Mpro dimerization and activity. This feature of M pro may have relevance to human disease and the pathophysiology of SARS-CoV-2 in bats, which develop oxidative stress during flight.

We generated SARS-CoV-2 variants resistant to three SARS-CoV-2 main protease (M pro ) inhibitors (nirmatrelvir, TKB245, and 5h), by propagating the ancestral SARS-CoV-2 WK521 WT in VeroE6 TMPRSS2 cells with increasing concentrations of each inhibitor and examined their structural and virologic profiles. A predominant E166V-carrying variant (SARS-CoV-2 WK521 E166V ), which emerged when passaged with nirmatrelvir and TKB245, proved to be resistant to the two inhibitors. A recombinant SARS-CoV-2 E166V was resistant to nirmatrelvir and TKB245, but sensitive to 5h. X-ray structural study showed that the dimerization of M pro was severely hindered by E166V substitution due to the disruption of the presumed dimerization-initiating Ser1’-Glu166 interactions. TKB245 stayed bound to M pro E166V , whereas nirmatrelvir failed. Native mass spectrometry confirmed that nirmatrelvir and TKB245 promoted the dimerization of M pro , and compromised the enzymatic activity; the Ki values of recombinant M pro E166V for nirmatrelvir and TKB245 were 117±3 and 17.1±1.9 µM, respectively, indicating that TKB245 has a greater (by a factor of 6.8) binding affinity to M pro E166V than nirmatrelvir. SARS-CoV-2 WK521 WT selected with 5h acquired A191T substitution in M pro (SARS-CoV-2 WK521 A191T ) and better replicated in the presence of 5h, than SARS-CoV-2 WK521 WT . However, no significant enzymatic or structural changes in M pro A191T were observed. The replicability of SARS-CoV-2 WK521 E166V proved to be compromised compared to SARS-CoV-2 WK521 WT but predominated over SARS-CoV-2 WK521 WT in the presence of nirmatrelvir. The replicability of SARS-CoV-2 WK521 A191T surpassed that of SARS-CoV-2 WK521 WT in the absence of 5h, confirming that A191T confers enhanced viral fitness. The present data should shed light on the understanding of the mechanism of SARS-CoV-2’s drug resistance acquisition and the development of resistance-repellant COVID-19 therapeutics.

Abstract We identified a 5-fluoro-benzothiazole-containing small molecule, TKB272, through fluorine-scanning of the benzothiazole moiety, which more potently inhibits the enzymatic activity of SARS-CoV-2’s main protease (Mpro) and more effectively blocks the infectivity and replication of all SARS-CoV-2 strains examined including Omicron variants such as SARS-CoV-2XBB1.5 and SARS-CoV-2EG.5.1 than two Mpro inhibitors, nirmatrelvir and ensitrelvir. Notably, the administration of ritonavir-boosted nirmatrelvir and ensitrelvir causes drug-drug interactions warranting cautions due to their CYP3A4 inhibition, thereby limiting their clinical utility. When orally administered, TKB272 blocked SARS-CoV-2XBB1.5 replication without ritonavir in B6.Cg-Tg(K18-hACE2)2-Prlmn/J-transgenic mice, comparably as did ritonavir-boosted nirmatrelvir. When the ancestral SARCoV-2 was propagated with nirmatrelvir in vitro, a highly-nirmatrelvir-resistant E166V-carrying variant (SARS-CoV-2E166V-P14) readily emerged by passage 14; however, when propagated with TKB272, no variants emerged by passage 25. SARS-CoV-2E166V showed some cross-resistance to TKB272 but was substantially sensitive to the compound. X-ray structural analyses and mass-spectrometric data showed that the E166V substitution disrupts the critical dimerization-initiating Ser1’-E166 interactions, thereby limiting nirmatrelvir’s Mpro inhibition but that TKB272 nevertheless forms a tight binding with Mpro’s catalytic active sight even in the presence of the E166V substitution. TKB272 shows no apparent genotoxicity as tested in the micro-Ames test. Highly potent TKB272 may serve as a COVID-19 therapeutic, overcome resistance to existing Mpro inhibitors.