As SARS-CoV-2 continues to cause morbidity and mortality around the world, there is an urgent need for the development of effective medical countermeasures. Here, we assessed the antiviral capacity of a minimal RIG-I agonist, stem-loop RNA 14 (SLR14), in viral control, disease prevention, post-infection therapy, and cross-variant protection in mouse models of SARS-CoV-2 infection. A single dose of SLR14 prevented viral replication in the lower respiratory tract and development of severe disease in a type I interferon (IFN-I) dependent manner. SLR14 demonstrated remarkable protective capacity against lethal SARS-CoV-2 infection when used prophylactically and retained considerable efficacy as a therapeutic agent. In immunodeficient mice carrying chronic SARS-CoV-2 infection, SLR14 elicited near-sterilizing innate immunity by inducing IFN-I responses in the absence of the adaptive immune system. In the context of infection with variants of concern (VOC), SLR14 conferred broad protection and uncovered an IFN-I resistance gradient across emerging VOC. These findings demonstrate the therapeutic potential of SLR14 as a host-directed, broad-spectrum antiviral for early post-exposure treatment and for treatment of chronically infected immunosuppressed patients.

The enzymatic activity of the SARS-CoV-2 Nidovirus RdRp-associated nucleotidyltransferase (NiRAN) domain is essential for viral propagation, with three distinct activities associated with modification of the nsp9 N-terminus, NMPylation, RNAylation, and deRNAylation/capping via a GDP-polyribonucleotidyltransferase reaction. The latter two activities comprise an unconventional mechanism for initiating viral RNA 59-cap formation, while the role of NMPylation is unclear. The structural mechanisms for these diverse enzymatic activities have not been properly delineated. Here we determine high-resolution cryo-electron microscopy structures of catalytic intermediates for the NMPylation and deRNAylation/capping reactions, revealing diverse nucleotide binding poses and divalent metal ion coordination sites to promote its repertoire of activities. The deRNAylation/capping structure explains why GDP is a preferred substrate for the capping reaction over GTP. Altogether, these findings enhance our understanding of the promiscuous coronaviral NiRAN domain, a therapeutic target, and provide an accurate structural platform for drug development.

Abstract Pharmacological activation of the retinoic acid-inducible gene I (RIG-I) pathway holds promise for increasing tumor immunogenicity and improving response to immune checkpoint inhibitors (ICI). However, the potency and clinical efficacy of 5’-triphosphate RNA (3pRNA) agonists of RIG-I is hindered by multiple pharmacological barriers, including poor pharmacokinetics, nuclease degradation, and inefficient delivery to the cytosol where RIG-I is localized. Here, we address these challenges through the design and evaluation of ionizable lipid nanoparticles (LNPs) for the delivery of 3p-modified stem-loop RNAs (SLRs). Packaging of SLRs into LNPs (SLR-LNPs) yielded surface charge-neutral nanoparticles with a size of ∼100 nm that activated RIG-I signaling in vitro and in vivo . SLR-LNPs were safely administered to mice via both intratumoral and intravenous routes, resulting in RIG-I activation in the tumor microenvironment (TME) and inhibition of tumor growth in mouse models of poorly immunogenic melanoma and breast cancer. Significantly, we found that systemic administration of SLR-LNPs reprogrammed the breast TME to enhance the infiltration of CD8 + and CD4 + T cells with antitumor function, resulting in enhanced response to αPD-1 ICI in an orthotopic EO771 model of triple negative breast cancer. Therapeutic efficacy was further demonstrated in a metastatic B16.F10 melanoma model, with systemically administered SLR-LNPs significantly reducing lung metastatic burden compared to combined αPD-1 + αCTLA-4 ICI. Collectively, these studies have established SLR-LNPs as a translationally promising immunotherapeutic nanomedicine for potent and selective activation of RIG-I with potential to enhance response to ICIs and other immunotherapeutic modalities.

ABSTRACT DRH-3 belongs to the family of duplex RNA-dependent ATPases (DRAs), which include Dicer and RIG-I-like receptors (RLRs). DRH-3 is critically involved in germline development and RNAi-facilitated chromosome segregation via the 22G-siRNA pathway in C. elegans. The molecular understanding of DRH-3 and its function in endogenous RNAi pathways remains elusive. In this study, we solved the crystal structures of the DRH-3 N-terminal domain (NTD) and the C-terminal domains (CTDs) in complex with 5’-triphosphorylated RNAs. The NTD of DRH-3 adopts a distinct fold of tandem Caspase Activation and Recruitment Domains (CARDs) structurally similar to the CARDs of RIG-I and MDA5, suggesting a signaling function in the endogenous RNAi biogenesis. The CTD preferentially recognizes 5’-triphosphorylated double-stranded RNAs bearing the typical features of secondary siRNA transcripts. The full-length DRH-3 displays unique structural dynamics upon binding to RNA duplexes that differ from RIG-I or MDA5. These unique molecular features of DRH-3 help explain its function in RNAi in worms and the evolutionary divergence of the Dicer-like helicases.

Aberrant DNA repair is a hallmark of cancer, and many tumors display reduced DNA repair capacities that sensitize them to genotoxins. Here, we demonstrate that the differential DNA repair capacities of healthy and transformed tissue may be exploited to obtain highly selective chemotherapies. We show that the novel N3-(2-fluoroethyl)imidazotetrazine "KL-50" is a selective toxin toward tumors that lack the DNA repair protein O6-methylguanine-DNA-methyltransferase (MGMT), which reverses the formation of O6-alkylguanine lesions. We establish that KL-50 generates DNA interstrand cross-links (ICLs) by a multistep process comprising DNA alkylation to generate an O6-(2-fluoroethyl)guanine (O6FEtG) lesion, slow unimolecular displacement of fluoride to form an N1,O6-ethanoguanine (N1,O6EtG) intermediate, and ring-opening by the adjacent cytidine. The slow rate of N1,O6EtG formation allows healthy cells expressing MGMT to reverse the initial O6FEtG lesion before it evolves to N1,O6EtG, thereby suppressing the formation of toxic DNA–MGMT cross-links and reducing the amount of DNA ICLs generated in healthy cells. In contrast, O6-(2-chloroethyl)guanine lesions produced by agents such as lomustine and the N3-(2-chloroethyl)imidazotetrazine mitozolomide rapidly evolve to N1,O6EtG, resulting in the formation of DNA–MGMT cross-links and DNA ICLs in healthy tissue. These studies suggest that careful consideration of the rates of chemical DNA modification and biochemical DNA repair may lead to the identification of other tumor-specific genotoxic agents.

We report the discovery of small molecules that target the RNA tertiary structure of self-splicing group II introns and display potent antifungal activity against yeasts, including the major public health threat Candida parapsilosis. High-throughput screening efforts against a yeast group II intron resulted in an inhibitor class which was then synthetically optimized for enhanced inhibitory activity and antifungal efficacy. The most highly refined compounds in this series display strong, gene-specific antifungal activity against C. parapsilosis. This work demonstrates the utility of combining advanced RNA screening methodologies with medicinal chemistry pipelines to identify high-affinity ligands targeting RNA tertiary structures with important roles in human health and disease.