The main protease of coronaviruses and the 3C protease of enteroviruses share a similar active-site architecture and a unique requirement for glutamine in the P1 position of the substrate. Because of their unique specificity and essential role in viral polyprotein processing, these proteases are suitable targets for the development of antiviral drugs. In order to obtain near-equipotent, broad-spectrum antivirals against alphacoronaviruses, betacoronaviruses, and enteroviruses, we pursued a structure-based design of peptidomimetic α-ketoamides as inhibitors of main and 3C proteases. Six crystal structures of protease–inhibitor complexes were determined as part of this study. Compounds synthesized were tested against the recombinant proteases as well as in viral replicons and virus-infected cell cultures; most of them were not cell-toxic. Optimization of the P2 substituent of the α-ketoamides proved crucial for achieving near-equipotency against the three virus genera. The best near-equipotent inhibitors, 11u (P2 = cyclopentylmethyl) and 11r (P2 = cyclohexylmethyl), display low-micromolar EC50 values against enteroviruses, alphacoronaviruses, and betacoronaviruses in cell cultures. In Huh7 cells, 11r exhibits three-digit picomolar activity against the Middle East Respiratory Syndrome coronavirus.

The ongoing Zika virus (ZIKV) outbreak is linked to severe neurological disorders. ZIKV relies on its NS2B/NS3 protease for polyprotein processing; hence, this enzyme is an attractive drug target. The 2.7 angstrom; crystal structure of ZIKV protease in complex with a peptidomimetic boronic acid inhibitor reveals a cyclic diester between the boronic acid and glycerol. The P2 4-aminomethylphenylalanine moiety of the inhibitor forms a salt-bridge with the nonconserved Asp(83) of NS2B; ion-pairing between Asp(83) and the P2 residue of the substrate likely accounts for the enzyme's high catalytic efficiency. The unusual dimer of the ZIKV protease:inhibitor complex seen in the crystal may provide a model for assemblies formed at high local concentrations of protease at the endoplasmatic reticulum membrane, the site of polyprotein processing.

Abstract The coronavirus disease (COVID-19) caused by SARS-CoV-2 is creating tremendous health problems and economical challenges for mankind. To date, no effective drug is available to directly treat the disease and prevent virus spreading. In a search for a drug against COVID-19, we have performed a massive X-ray crystallographic screen of two repurposing drug libraries against the SARS-CoV-2 main protease (M pro ), which is essential for the virus replication and, thus, a potent drug target. In contrast to commonly applied X-ray fragment screening experiments with molecules of low complexity, our screen tested already approved drugs and drugs in clinical trials. From the three-dimensional protein structures, we identified 37 compounds binding to M pro . In subsequent cell-based viral reduction assays, one peptidomimetic and five non-peptidic compounds showed antiviral activity at non-toxic concentrations. We identified two allosteric binding sites representing attractive targets for drug development against SARS-CoV-2.

Abstract Here we present the crystal structure of SARS-CoV-2 main protease (M pro ) covalently bound to 2-methyl-1-tetralone. This complex was obtained by co-crystallization of M pro with HEAT (2-(((4-hydroxyphenethyl)amino)methyl)-3,4-dihydronaphthalen-1(2H)-one) in the framework of a large X-ray crystallographic screening project of M pro against a drug repurposing library, consisting of 5632 approved drugs or compounds in clinical phase trials. Further investigations showed that HEAT is cleaved by M pro in an E1cB-like reaction mechanism into 2-methylene-1-tetralone and tyramine. The catalytic Cys145 subsequently binds covalently in a Michael addition to the methylene carbon atom of 2-methylene-1-tetralone. According to this postulated model HEAT is acting in a pro-drug-like fashion. It is metabolized by M pro , followed by covalent binding of one metabolite to the active site. The structure of the covalent adduct elucidated in this study opens up a new path for developing non-peptidic inhibitors.

The main protease of coronaviruses and the 3C protease of enteroviruses share a similar active-site architecture and a unique requirement for glutamine in the P1 position of the substrate. Because of their unique specificity and essential role in viral polyprotein processing, these proteases are suitable targets for the development of antiviral drugs. In order to obtain near-equipotent, broad-spectrum antivirals against alphacoronaviruses, betacoronaviruses, and enteroviruses, we pursued structure-based design of peptidomimetic a-ketoamides as inhibitors of main and 3C proteases. Six crystal structures of protease:inhibitor complexes were determined as part of this study. Compounds synthesized were tested against the recombinant proteases as well as in viral replicons and virus-infected cell cultures; most of them were not cell-toxic. Optimization of the P2 substituent of the a-ketoamides proved crucial for achieving near-equipotency against the three virus genera. The best near-equipotent inhibitors, 11u (P2 = cyclopentylmethyl) and 11r (P2 = cyclohexylmethyl), display low-micromolar EC50 values against enteroviruses, alphacoronaviruses, and betacoronaviruses in cell cultures. In Huh7 cells, 11r exhibits three-digit picomolar activity against Middle East Respiratory Syndrome coronavirus.

In December 2019, the first cases of a novel coronavirus infection were diagnosed in Wuhan, China. Due to international travel and human-to-human transmission, the virus spread rapidly inside and outside of China. Currently, there is no effective antiviral treatment for COVID-19, therefore research efforts are focused on the rapid development of vaccines and antiviral drugs. The SARS-CoV-2 Mpro protease constitutes one of the most attractive antiviral drug targets. To address this emerging problem, we have synthesized a combinatorial library of fluorogenic substrates with glutamine in the P1 position. We used it to determine the substrate preferences of the SARS-CoV and SARS-CoV-2 proteases, using natural and a large panel of unnatural amino acids. The results of our work provide a structural framework for the design of inhibitors as antiviral agents or diagnostic tests.

A novel coronavirus has been identified as the causative agent of a massive outbreak of atypical pneumonia originating at Wuhan, Hubei province, China. Involved in the formation of the coronavirus replication complex, the viral main protease (Mpro, also called 3CLpro) represents an attractive target for therapy. We determined the crystal structure of the unliganded Mpro at 1.75 A resolution and used this structure to guide optimization of a series of alpha-ketoamide inhibitors. The main goal of the optimization efforts was improvement of the pharmacokinetic properties of the compounds. We further describe 1.95- and 2.20-A crystal structures of the complex between the enzyme and the most potent alpha-ketoamide optimized this way. These structures will form the basis for further development of these compounds to antiviral drugs.