The coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic caused by severe acute respiratory syndrome-coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is a global health emergency. An attractive drug target among coronaviruses is the main protease (Mpro, also called 3CLpro) because of its essential role in processing the polyproteins that are translated from the viral RNA. We report the x-ray structures of the unliganded SARS-CoV-2 Mpro and its complex with an α-ketoamide inhibitor. This was derived from a previously designed inhibitor but with the P3-P2 amide bond incorporated into a pyridone ring to enhance the half-life of the compound in plasma. On the basis of the unliganded structure, we developed the lead compound into a potent inhibitor of the SARS-CoV-2 Mpro The pharmacokinetic characterization of the optimized inhibitor reveals a pronounced lung tropism and suitability for administration by the inhalative route.

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.

The coronavirus disease (COVID-19) caused by SARS-CoV-2 is creating tremendous human suffering. To date, no effective drug is available to directly treat the disease. In a search for a drug against COVID-19, we have performed a high-throughput x-ray crystallographic screen of two repurposing drug libraries against the SARS-CoV-2 main protease (M

In December 2019, the first cases of infection with a novel coronavirus, SARS-CoV-2, were diagnosed. Currently, there is no effective antiviral treatment for COVID-19. To address this emerging problem, we focused on the SARS-CoV-2 main protease that constitutes one of the most attractive antiviral drug targets. 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 main proteases. On the basis of these findings, we designed and synthesized a potent SARS-CoV-2 inhibitor (Ac-Abu-dTyr-Leu-Gln-VS, half-maximal effective concentration of 3.7 µM) and two activity-based probes, for one of which we determined the crystal structure of its complex with the SARS-CoV-2 Mpro. We visualized active SARS-CoV-2 Mpro in nasopharyngeal epithelial cells of patients suffering from COVID-19 infection. The results of our work provide a structural framework for the design of inhibitors as antiviral agents and/or diagnostic tests. Screening for substrate preference of the SARS-CoV and SARS-CoV-2 main protease Mpro leads to the development of activity-based probes useful for structural analysis and for visualization of active Mpro in infected patient epithelial cells.

Abstract Coronavirus disease 2019 (COVID-19) can damage cerebral small vessels and cause neurological symptoms. Here we describe structural changes in cerebral small vessels of patients with COVID-19 and elucidate potential mechanisms underlying the vascular pathology. In brains of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2)-infected individuals and animal models, we found an increased number of empty basement membrane tubes, so-called string vessels representing remnants of lost capillaries. We obtained evidence that brain endothelial cells are infected and that the main protease of SARS-CoV-2 (M pro ) cleaves NEMO, the essential modulator of nuclear factor-κB. By ablating NEMO, M pro induces the death of human brain endothelial cells and the occurrence of string vessels in mice. Deletion of receptor-interacting protein kinase (RIPK) 3, a mediator of regulated cell death, blocks the vessel rarefaction and disruption of the blood–brain barrier due to NEMO ablation. Importantly, a pharmacological inhibitor of RIPK signaling prevented the M pro -induced microvascular pathology. Our data suggest RIPK as a potential therapeutic target to treat the neuropathology of COVID-19.

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.

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.