We combine sequence analysis, molecular dynamics and hybrid quantum mechanics/molecular mechanics simulations to obtain the first description of the mechanism of reaction of SARS-CoV-2 RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) and of the inhibition of the enzyme by Remdesivir. Despite its evolutionary youth, the enzyme is highly optimized to have good fidelity in nucleotide incorporation and a good catalytic efficiency. Our simulations strongly suggest that Remdesivir triphosphate (the active form of drug) is incorporated into the nascent RNA replacing ATP, leading to a duplex RNA which is structurally very similar to an unmodified one. We did not detect any reason to explain the inhibitory activity of Remdesivir at the active site. Displacement of the nascent Remdesivir-containing RNA duplex along the exit channel of the enzyme can occur without evident steric clashes which would justify delayed inhibition. However, after the incorporation of three more nucleotides we found a hydrated Serine which is placed in a perfect arrangement to react through a Pinner’s reaction with the nitrile group of Remdesivir. Kinetic barriers for crosslinking and polymerization are similar suggesting a competition between polymerization and inhibition. Analysis of SARS-CoV-2 mutational landscape and structural analysis of polymerases across different species support the proposed mechanism and suggest that virus has not explored yet resistance to Remdesivir inhibition.

Abstract The binding of intrinsically disordered proteins to globular ones often requires the folding of motifs into ɑ-helices. These interactions offer opportunities for therapeutic intervention but their modulation with small molecules is challenging because they bury large surfaces. Linear peptides that display the residues that are key for binding can be targeted to globular proteins when they form stable helices, which in most cases requires their chemical modification. Here we present rules to design peptides that fold into single ɑ-helices by instead concatenating glutamine side chain to main chain hydrogen bonds recently discovered in polyglutamine helices. The resulting peptides are uncharged, contain only natural amino acids, and their sequences can be optimized to interact with specific targets. Our results provide design rules to obtain single ɑ-helices for a wide range of applications in protein engineering and drug design.

Polyglutamine (polyQ) tracts are regions of low sequence complexity of variable length found in more than one hundred human proteins. These tracts are frequent in activation domains of transcription factors and their length often correlates with transcriptional activity. In addition, in nine proteins, tract elongation beyond specific thresholds causes polyQ disorders. To study the structural basis of the association between tract length, transcriptional activity and disease, here we addressed how the conformation of the polyQ tract of the androgen receptor (AR), a transcription factor associated with the polyQ disease spinobulbar muscular atrophy (SBMA), depends on its length. We found that the tract folds into a helical structure stabilized by unconventional hydrogen bonds between glutamine side chains and main chain carbonyl groups. These bonds are bifurcate with the conventional main chain to main chain hydrogen bonds stabilizing α-helices. In addition, since tract elongation provides additional interactions, the helicity of the polyQ tract directly correlates with its length. These findings suggest a plausible rationale for the association between polyQ tract length and AR transcriptional activity and have implications for establishing the mechanistic basis of SBMA.

ABSTRACT Native electrospray ionization - ion mobility mass spectrometry (N-ESI/IM-MS) is a powerful approach for low-resolution structural studies of DNAs in the free state and in complex with ligands. Solvent vaporization is coupled with proton transfers from ammonium ions to the DNA resulting in a reduction of the DNA charge. Here we provide insight on these processes by classical MD and QM/MM free energy calculations on the (GpCpGpApApGpC) heptamer, for which a wealth of experiments is available. Our multiscale simulations, consistent with experimental data, reveal a highly complex scenario: the proton either sits on one of the molecules or is fully delocalized on both, depending on the level of hydration of the analytes and on size of the droplets formed during the electrospray experiments. This work complements our previous study on the intramolecular proton transfer on the same heptamer occurring after the processes studied here, and, together, provide a first molecular view of proton transfer in N-ESI/IM-MS. TOC GRAPHICS