A novel coronavirus [severe acute respiratory syndrome-coronavirus 2 (SARS-CoV-2)] outbreak has caused a global coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, resulting in tens of thousands of infections and thousands of deaths worldwide. The RNA-dependent RNA polymerase [(RdRp), also named nsp12] is the central component of coronaviral replication and transcription machinery, and it appears to be a primary target for the antiviral drug remdesivir. We report the cryo-electron microscopy structure of COVID-19 virus full-length nsp12 in complex with cofactors nsp7 and nsp8 at 2.9-angstrom resolution. In addition to the conserved architecture of the polymerase core of the viral polymerase family, nsp12 possesses a newly identified β-hairpin domain at its N terminus. A comparative analysis model shows how remdesivir binds to this polymerase. The structure provides a basis for the design of new antiviral therapeutics that target viral RdRp.

Nucleotide analog inhibitors, including broad-spectrum remdesivir and favipiravir, have shown promise in in vitro assays and some clinical studies for COVID-19 treatment, this despite an incomplete mechanistic understanding of the viral RNA-dependent RNA polymerase nsp12 drug interactions. Here, we examine the molecular basis of SARS-CoV-2 RNA replication by determining the cryo-EM structures of the stalled pre- and post- translocated polymerase complexes. Compared with the apo complex, the structures show notable structural rearrangements happening to nsp12 and its co-factors nsp7 and nsp8 to accommodate the nucleic acid, whereas there are highly conserved residues in nsp12, positioning the template and primer for an in-line attack on the incoming nucleotide. Furthermore, we investigate the inhibition mechanism of the triphosphate metabolite of remdesivir through structural and kinetic analyses. A transition model from the nsp7-nsp8 hexadecameric primase complex to the nsp12-nsp7-nsp8 polymerase complex is also proposed to provide clues for the understanding of the coronavirus transcription and replication machinery.

Summary

 Cannabinoid receptor 1 (CB₁) is the principal target of Δ⁹-tetrahydrocannabinol (THC), a psychoactive chemical from Cannabis sativa with a wide range of therapeutic applications and a long history of recreational use. CB₁ is activated by endocannabinoids and is a promising therapeutic target for pain management, inflammation, obesity, and substance abuse disorders. Here, we present the 2.8 Å crystal structure of human CB₁ in complex with AM6538, a stabilizing antagonist, synthesized and characterized for this structural study. The structure of the CB₁-AM6538 complex reveals key features of the receptor and critical interactions for antagonist binding. In combination with functional studies and molecular modeling, the structure provides insight into the binding mode of naturally occurring CB₁ ligands, such as THC, and synthetic cannabinoids. This enhances our understanding of the molecular basis for the physiological functions of CB₁ and provides new opportunities for the design of next-generation CB₁-targeting pharmaceuticals.

Class A G-protein-coupled receptors (GPCRs) influence virtually every aspect of human physiology. Understanding receptor activation mechanism is critical for discovering novel therapeutics since about one-third of all marketed drugs target members of this family. GPCR activation is an allosteric process that couples agonist binding to G-protein recruitment, with the hallmark outward movement of transmembrane helix 6 (TM6). However, what leads to TM6 movement and the key residue level changes of this movement remain less well understood. Here, we report a framework to quantify conformational changes. By analyzing the conformational changes in 234 structures from 45 class A GPCRs, we discovered a common GPCR activation pathway comprising of 34 residue pairs and 35 residues. The pathway unifies previous findings into a common activation mechanism and strings together the scattered key motifs such as CWxP, DRY, Na+ pocket, NPxxY and PIF, thereby directly linking the bottom of ligand-binding pocket with G-protein coupling region. Site-directed mutagenesis experiments support this proposition and reveal that rational mutations of residues in this pathway can be used to obtain receptors that are constitutively active or inactive. The common activation pathway provides the mechanistic interpretation of constitutively activating, inactivating and disease mutations. As a module responsible for activation, the common pathway allows for decoupling of the evolution of the ligand binding site and G-protein-binding region. Such an architecture might have facilitated GPCRs to emerge as a highly successful family of proteins for signal transduction in nature.

Crystal structures of the human cannabinoid receptor 1 (CB1) bound to the agonists AM11542 and AM841 reveal notable structural rearrangements upon receptor activation, and this flexibility may be a common feature among other G-protein-coupled receptors. The human cannabinoid receptor 1 (CB1) is the main target of the plant cannabinoid Δ9-tetrahydrocannbinol (Δ9-THC), the key psychoactive compound in Cannabis sativa. CB1 is activated by endocannabinoids and is a therapeutic target for pain management, epilepsy and obesity, among others, although an active receptor structure is still lacking. Here, Zhi-Jie Liu and colleagues report the crystal structure of CB1 activated by two potent Δ9-THC derivatives, AM11542 and AM841. Both of these agonists have a gem-dimethyl group on their alkyl chain which leads to significant enhancement in their potency and efficacy. Receptor activation involves large-scale structural rearrangements on both extracellular and cytoplasmic sides and a significant reduction in the size of the binding pocket. These conformational changes involve a novel molecular 'twin toggle switch', the synergistic movement of two key residues during activation, which the authors suggest may be common to other G-protein-coupled receptors. The cannabinoid receptor 1 (CB1) is the principal target of the psychoactive constituent of marijuana, the partial agonist Δ9-tetrahydrocannabinol (Δ9-THC)1. Here we report two agonist-bound crystal structures of human CB1 in complex with a tetrahydrocannabinol (AM11542) and a hexahydrocannabinol (AM841) at 2.80 Å and 2.95 Å resolution, respectively. The two CB1–agonist complexes reveal important conformational changes in the overall structure, relative to the antagonist-bound state2, including a 53% reduction in the volume of the ligand-binding pocket and an increase in the surface area of the G-protein-binding region. In addition, a ‘twin toggle switch’ of Phe2003.36 and Trp3566.48 (superscripts denote Ballesteros–Weinstein numbering3) is experimentally observed and appears to be essential for receptor activation. The structures reveal important insights into the activation mechanism of CB1 and provide a molecular basis for predicting the binding modes of Δ9-THC, and endogenous and synthetic cannabinoids. The plasticity of the binding pocket of CB1 seems to be a common feature among certain class A G-protein-coupled receptors. These findings should inspire the design of chemically diverse ligands with distinct pharmacological properties.

Pombe Cdc15 homology (PCH) proteins play an important role in a variety of actin-based processes, including clathrin-mediated endocytosis (CME). The defining feature of the PCH proteins is an evolutionarily conserved EFC/F-BAR domain for membrane association and tubulation. In the present study, we solved the crystal structures of the EFC domains of human FBP17 and CIP4. The structures revealed a gently curved helical-bundle dimer of ∼220 Å in length, which forms filaments through end-to-end interactions in the crystals. The curved EFC dimer fits a tubular membrane with an ∼600 Å diameter. We subsequently proposed a model in which the curved EFC filament drives tubulation. In fact, striation of tubular membranes was observed by phase-contrast cryo-transmission electron microscopy, and mutations that impaired filament formation also impaired membrane tubulation and cell membrane invagination. Furthermore, FBP17 is recruited to clathrin-coated pits in the late stage of CME, indicating its physiological role.