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 The human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) capsid (CA) is an essential viral component of HIV-1 infection, and an attractive therapeutic target for antivirals. We report that a small molecule, ACAi-028, inhibits HIV-1 replication by targeting a hydrophobic pocket in the N-terminal domain of CA (CA-NTD). ACAi-028 is one of more than 40 candidate anti-HIV-1 compounds identified by in silico screening and 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) assays. Our binding model showed that ACAi-028 interacts with the Q13, S16, and T19 amino acid residues, via hydrogen bonds, in the targeting pocket of CA-NTD. Using recombinant fusion methods, TZM-bl, time-of-addition, and colorimetric reverse transcriptase (RT) assays, the compound was found to exert anti-HIV-1 activity in the early stage between a reverse transcriptase inhibitor, azidothymidine (AZT), and an integrase inhibitor, raltegravir (RAL), without any effect on RT activity, suggesting that this compound may affect HIV-1 core disassembly (uncoating). Moreover, electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS) also showed that the compound binds directly and non-covalently to the CA monomer. CA multimerization and thermal stability assays showed that ACAi-028 decreased CA multimerization and thermal stability via S16 or T19 residues. Importance These results indicate that ACAi-028 is a novel CA inhibitor that binds to the novel hydrophobic pocket of CA-NTD. This study demonstrates that a compound targeting the new hydrophobic pocket is a promising anti-HIV-1 inhibitor. The findings presented here may offer the development of a novel class of anti-viral agents that can be used, providing HIV-1 patients with more options for Anti-retroviral therapy (ART) treatment. Despite many years of successful pharmaceutical developments in the area of anti-retroviral therapy, the prevalence of drug-resistant mutations in HIV-1, necessitates the continued development of novel agents, such as ACAi-028.

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.