A newly described coronavirus named severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), which is the causative agent of coronavirus disease 2019 (COVID-19), has infected over 2.3 million people, led to the death of more than 160,000 individuals and caused worldwide social and economic disruption1,2. There are no antiviral drugs with proven clinical efficacy for the treatment of COVID-19, nor are there any vaccines that prevent infection with SARS-CoV-2, and efforts to develop drugs and vaccines are hampered by the limited knowledge of the molecular details of how SARS-CoV-2 infects cells. Here we cloned, tagged and expressed 26 of the 29 SARS-CoV-2 proteins in human cells and identified the human proteins that physically associated with each of the SARS-CoV-2 proteins using affinity-purification mass spectrometry, identifying 332 high-confidence protein-protein interactions between SARS-CoV-2 and human proteins. Among these, we identify 66 druggable human proteins or host factors targeted by 69 compounds (of which, 29 drugs are approved by the US Food and Drug Administration, 12 are in clinical trials and 28 are preclinical compounds). We screened a subset of these in multiple viral assays and found two sets of pharmacological agents that displayed antiviral activity: inhibitors of mRNA translation and predicted regulators of the sigma-1 and sigma-2 receptors. Further studies of these host-factor-targeting agents, including their combination with drugs that directly target viral enzymes, could lead to a therapeutic regimen to treat COVID-19.

The COVID-19 pandemic, caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), is a grave threat to public health and the global economy. SARS-CoV-2 is closely related to the more lethal but less transmissible coronaviruses SARS-CoV-1 and Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV). Here, we have carried out comparative viral-human protein-protein interaction and viral protein localization analyses for all three viruses. Subsequent functional genetic screening identified host factors that functionally impinge on coronavirus proliferation, including Tom70, a mitochondrial chaperone protein that interacts with both SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2 ORF9b, an interaction we structurally characterized using cryo-electron microscopy. Combining genetically validated host factors with both COVID-19 patient genetic data and medical billing records identified molecular mechanisms and potential drug treatments that merit further molecular and clinical study.

Bacterial CRISPR-Cas systems utilize sequence-specific RNA-guided nucleases to defend against bacteriophage infection. As a countermeasure, numerous phages are known that produce proteins to block the function of class 1 CRISPR-Cas systems. However, currently no proteins are known to inhibit the widely used class 2 CRISPR-Cas9 system. To find these inhibitors, we searched cas9-containing bacterial genomes for the co-existence of a CRISPR spacer and its target, a potential indicator for CRISPR inhibition. This analysis led to the discovery of four unique type II-A CRISPR-Cas9 inhibitor proteins encoded by Listeria monocytogenes prophages. More than half of L. monocytogenes strains with cas9 contain at least one prophage-encoded inhibitor, suggesting widespread CRISPR-Cas9 inactivation. Two of these inhibitors also blocked the widely used Streptococcus pyogenes Cas9 when assayed in Escherichia coli and human cells. These natural Cas9-specific “anti-CRISPRs” present tools that can be used to regulate the genome engineering activities of CRISPR-Cas9.

SUMMARY Congenital heart disease (CHD) is present in 1% of live births, yet identification of causal mutations remains a challenge despite large-scale genomic sequencing efforts. We hypothesized that genetic determinants for CHDs may lie in protein interactomes of GATA4 and TBX5, two transcription factors that cause CHDs. Defining their interactomes in human cardiac progenitors via affinity purification-mass spectrometry and integrating results with genetic data from the Pediatric Cardiac Genomic Consortium revealed an enrichment of de novo variants among proteins that interact with GATA4 or TBX5. A consolidative score that prioritized interactome members based on variant, gene, and proband features identified likely CHD-causing genes, including the epigenetic reader GLYR1. GLYR1 and GATA4 widely co-occupied cardiac developmental genes, resulting in co-activation, and the GLYR1 missense variant associated with CHD disrupted interaction with GATA4. This integrative proteomic and genetic approach provides a framework for prioritizing and interrogating the contribution of genetic variants in disease.

This study created a protein-protein interaction map of all the proteins present within the SARS-CoV-2 virus and humans. Understanding how viral proteins interact with human proteins gives researchers targets for the repurposing of drugs to treat COVID-19

CRISPR-Cas9 gene editing strategies have revolutionized our ability to engineer the human genome for robust functional interrogation of complex biological processes. We have recently adapted this technology to primary human T cells to generate a high-throughput platform for analyzing the role of host factors in pathogen infection and lifecycle. Here, we describe applications of this system to investigate HIV pathogenesis in CD4+ T cells. Briefly, CRISPR-Cas9 ribonucleoproteins (crRNPs) are synthesized in vitro and delivered to activated primary human CD4+ T cells by nucleofection. These edited cells are then validated and expanded for use in downstream cellular, genetic, or protein-based assays. Our platform supports the arrayed generation of several gene manipulations in only a few hours' time and is widely adaptable across culture conditions, infection protocols, and downstream applications. We present detailed protocols for crRNP synthesis, primary T cell culture, 96-well nucleofection, molecular validation, and HIV infection with additional considerations for guide and screen design as well as crRNP multiplexing.

Genome engineering of primary human cells with CRISPR-Cas9 has revolutionized experimental and therapeutic approaches to cell biology, but human myeloid-lineage cells have remained largely genetically intractable. We present a method for delivery of CRISPR-Cas9 ribonucleoprotein (RNP) complexes by nucleofection directly into CD14+ human monocytes purified from peripheral blood, leading to high rates of precise gene knockout. These cells can be efficiently differentiated into monocyte-derived macrophages or dendritic cells. This process yields genetically-edited cells that retain critical markers of both myeloid differentiation and phagocytic function. Genetic ablation of the restriction factor SAMHD1 increased HIV-1 infection more than fifty-fold, demonstrating the power of this system for genotype-phenotype interrogation. This fast, flexible and scalable platform can be used for genetic studies of human myeloid cells in immune signaling, inflammation, cancer immunology, host-pathogen interactions, and beyond, and could facilitate development of novel myeloid cellular therapies.