The emergence of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) in 2019 has triggered an ongoing global pandemic of the severe pneumonia-like disease coronavirus disease 2019 (COVID-19)1. The development of a vaccine is likely to take at least 12–18 months, and the typical timeline for approval of a new antiviral therapeutic agent can exceed 10 years. Thus, repurposing of known drugs could substantially accelerate the deployment of new therapies for COVID-19. Here we profiled a library of drugs encompassing approximately 12,000 clinical-stage or Food and Drug Administration (FDA)-approved small molecules to identify candidate therapeutic drugs for COVID-19. We report the identification of 100 molecules that inhibit viral replication of SARS-CoV-2, including 21 drugs that exhibit dose–response relationships. Of these, thirteen were found to harbour effective concentrations commensurate with probable achievable therapeutic doses in patients, including the PIKfyve kinase inhibitor apilimod2–4 and the cysteine protease inhibitors MDL-28170, Z LVG CHN2, VBY-825 and ONO 5334. Notably, MDL-28170, ONO 5334 and apilimod were found to antagonize viral replication in human pneumocyte-like cells derived from induced pluripotent stem cells, and apilimod also demonstrated antiviral efficacy in a primary human lung explant model. Since most of the molecules identified in this study have already advanced into the clinic, their known pharmacological and human safety profiles will enable accelerated preclinical and clinical evaluation of these drugs for the treatment of COVID-19. A screen of the ReFRAME library of approximately 12,000 known drugs for antiviral activity against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) identified several candidate compounds with suitable activities and pharmacological profiles, which could potentially expedite the deployment of therapies for coronavirus disease 2019 (COVID-19).

Achieving the goal of malaria elimination will depend on targeting Plasmodium pathways essential across all life stages. Here we identify a lipid kinase, phosphatidylinositol-4-OH kinase (PI(4)K), as the target of imidazopyrazines, a new antimalarial compound class that inhibits the intracellular development of multiple Plasmodium species at each stage of infection in the vertebrate host. Imidazopyrazines demonstrate potent preventive, therapeutic, and transmission-blocking activity in rodent malaria models, are active against blood-stage field isolates of the major human pathogens P. falciparum and P. vivax, and inhibit liver-stage hypnozoites in the simian parasite P. cynomolgi. We show that imidazopyrazines exert their effect through inhibitory interaction with the ATP-binding pocket of PI(4)K, altering the intracellular distribution of phosphatidylinositol-4-phosphate. Collectively, our data define PI(4)K as a key Plasmodium vulnerability, opening up new avenues of target-based discovery to identify drugs with an ideal activity profile for the prevention, treatment and elimination of malaria. The lipid kinase phosphatidylinositol-4-OH kinase (PI(4)K) is identified as a target of the imidazopyrazines, a new antimalarial compound class that can inhibit several Plasmodium species at each stage of the parasite life cycle; the imidazopyrazines exert their inhibitory action by interacting with the ATP-binding pocket of PI(4)K. To eliminate malaria completely it is necessary to cure an individual of all stages in the malaria parasite's life cycle including the symptomatic blood-stage infection and the preceding liver-stage infection (to prevent relapse) and also to block transmission to mosquitoes. Here Elizabeth Winzeler and colleagues identify phosphatidylinositol-4-OH kinase (PI(4)K) as a potential drug target that is essential to fatty acid metabolism in all stages of the Plasmodium parasite. The authors show that a family of compounds with an imidazopyrazine core, distinct from known antimalarials, inhibits PI(4)K and also inhibits the development of multiple Plasmodium species at each stage of the life cycle. Their analyses reveal that the imidazopyrazines interact with the ATP-binding pocket of PI(4)K, altering the intracellular distribution of phosphatidylinositol-4 phosphate and interfering with cell division.

A selective inhibitor of the kinetoplastid proteasome (GNF6702) is identified that is highly efficacious in vivo, clearing the parasites that cause leishmaniasis, Chagas disease and sleeping sickness from mice, highlighting the possibility of developing a single class of drugs for these neglected diseases. Chagas disease, leishmaniasis, and sleeping sickness are caused by the kinetoplastid parasites Trypanosoma cruzi, Leishmania spp. and Trypanosoma brucei spp., respectively, and affect 20 million people worldwide. This study reports the results of a screen to find new conserved molecular targets and broad spectrum drugs that could be used to treat all three diseases. A selective inhibitor of the kinetoplastid proteasome (GNF6702) was identified as the most effective. It is highly efficacious in vivo, clearing parasites from mice in all three models of infection. GNF6702 is a non-competitive inhibitor, specific for kinetoplastid proteasome, and is well-tolerated in mice. These results highlight the possibility of developing a single class of drugs for these neglected diseases. Chagas disease, leishmaniasis and sleeping sickness affect 20 million people worldwide and lead to more than 50,000 deaths annually1. The diseases are caused by infection with the kinetoplastid parasites Trypanosoma cruzi, Leishmania spp. and Trypanosoma brucei spp., respectively. These parasites have similar biology and genomic sequence, suggesting that all three diseases could be cured with drugs that modulate the activity of a conserved parasite target2. However, no such molecular targets or broad spectrum drugs have been identified to date. Here we describe a selective inhibitor of the kinetoplastid proteasome (GNF6702) with unprecedented in vivo efficacy, which cleared parasites from mice in all three models of infection. GNF6702 inhibits the kinetoplastid proteasome through a non-competitive mechanism, does not inhibit the mammalian proteasome or growth of mammalian cells, and is well-tolerated in mice. Our data provide genetic and chemical validation of the parasite proteasome as a promising therapeutic target for treatment of kinetoplastid infections, and underscore the possibility of developing a single class of drugs for these neglected diseases.

Most malaria drug development focuses on parasite stages detected in red blood cells, even though, to achieve eradication, next-generation drugs active against both erythrocytic and exo-erythrocytic forms would be preferable. We applied a multifactorial approach to a set of >4000 commercially available compounds with previously demonstrated blood-stage activity (median inhibitory concentration < 1 micromolar) and identified chemical scaffolds with potent activity against both forms. From this screen, we identified an imidazolopiperazine scaffold series that was highly enriched among compounds active against Plasmodium liver stages. The orally bioavailable lead imidazolopiperazine confers complete causal prophylactic protection (15 milligrams/kilogram) in rodent models of malaria and shows potent in vivo blood-stage therapeutic activity. The open-source chemical tools resulting from our effort provide starting points for future drug discovery programs, as well as opportunities for researchers to investigate the biology of exo-erythrocytic forms.

Candidate antibacterials are usually identified on the basis of their in vitro activity. However, the apparent inhibitory activity of new leads can be misleading because most culture media do not reproduce an environment relevant to infection in vivo. In this study, while screening for novel anti-tuberculars, we uncovered how carbon metabolism can affect antimicrobial activity. Novel pyrimidine-imidazoles (PIs) were identified in a whole-cell screen against Mycobacterium tuberculosis. Lead optimization generated in vitro potent derivatives with desirable pharmacokinetic properties, yet without in vivo efficacy. Mechanism of action studies linked the PI activity to glycerol metabolism, which is not relevant for M. tuberculosis during infection. PIs induced self-poisoning of M. tuberculosis by promoting the accumulation of glycerol phosphate and rapid ATP depletion. This study underlines the importance of understanding central bacterial metabolism in vivo and of developing predictive in vitro culture conditions as a prerequisite for the rational discovery of new antibiotics.

With renewed calls for malaria eradication, next-generation antimalarials need be active against drug-resistant parasites and efficacious against both liver- and blood-stage infections. We screened a natural product library to identify inhibitors of Plasmodium falciparum blood- and liver-stage proliferation. Cladosporin, a fungal secondary metabolite whose target and mechanism of action are not known for any species, was identified as having potent, nanomolar, antiparasitic activity against both blood and liver stages. Using postgenomic methods, including a yeast deletion strains collection, we show that cladosporin specifically inhibits protein synthesis by directly targeting P. falciparum cytosolic lysyl-tRNA synthetase. Further, cladosporin is >100-fold more potent against parasite lysyl-tRNA synthetase relative to the human enzyme, which is conferred by the identity of two amino acids within the enzyme active site. Our data indicate that lysyl-tRNA synthetase is an attractive, druggable, antimalarial target that can be selectively inhibited.