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.

Signaling by the epidermal growth factor receptor requires an allosteric interaction between the kinase domains of two receptors, whereby one activates the other. We show that the intracellular juxtamembrane segment of the receptor, known to potentiate kinase activity, is able to dimerize the kinase domains. The C-terminal half of the juxtamembrane segment latches the activated kinase domain to the activator, and the N-terminal half of this segment further potentiates dimerization, most likely by forming an antiparallel helical dimer that engages the transmembrane helices of the activated receptor. Our data are consistent with a mechanism in which the extracellular domains block the intrinsic ability of the transmembrane and cytoplasmic domains to dimerize and activate, with ligand binding releasing this block. The formation of the activating juxtamembrane latch is prevented by the C-terminal tails in a structure of an inactive kinase domain dimer, suggesting how alternative dimers can prevent ligand-independent activation.

Nanobodies that neutralize Monoclonal antibodies that bind to the spike protein of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) show therapeutic promise but must be produced in mammalian cells and need to be delivered intravenously. By contrast, single-domain antibodies called nanobodies can be produced in bacteria or yeast, and their stability may enable aerosol delivery. Two papers now report nanobodies that bind tightly to spike and efficiently neutralize SARS-CoV-2 in cells. Schoof et al. screened a yeast surface display of synthetic nanobodies and Xiang et al. screened anti-spike nanobodies produced by a llama. Both groups identified highly potent nanobodies that lock the spike protein in an inactive conformation. Multivalent constructs of selected nanobodies achieved even more potent neutralization. Science , this issue p. 1473 , p. 1479

Crystal structures of complexes between the epidermal growth factor receptor (EGFR) kinase domain and a fragment of its feedback inhibitor MIG6 reveal an allosteric inhibition mechanism. MIG6 binds the cyclin/CDK-like asymmetric dimer interface of EGFR and blocks formation of the activating dimer. Members of the epidermal growth factor receptor family (EGFR/ERBB1, ERBB2/HER2, ERBB3/HER3 and ERBB4/HER4) are key targets for inhibition in cancer therapy1. Critical for activation is the formation of an asymmetric dimer by the intracellular kinase domains, in which the carboxy-terminal lobe (C lobe) of one kinase domain induces an active conformation in the other2. The cytoplasmic protein MIG6 (mitogen-induced gene 6; also known as ERRFI1) interacts with and inhibits the kinase domains of EGFR and ERBB2 (refs 3–5). Crystal structures of complexes between the EGFR kinase domain and a fragment of MIG6 show that a ∼25-residue epitope (segment 1) from MIG6 binds to the distal surface of the C lobe of the kinase domain. Biochemical and cell-based analyses confirm that this interaction contributes to EGFR inhibition by blocking the formation of the activating dimer interface. A longer MIG6 peptide that is extended C terminal to segment 1 has increased potency as an inhibitor of the activated EGFR kinase domain, while retaining a critical dependence on segment 1. We show that signalling by EGFR molecules that contain constitutively active kinase domains still requires formation of the asymmetric dimer, underscoring the importance of dimer interface blockage in MIG6-mediated inhibition.

The kinase domain of human epidermal growth factor receptor (HER) 3/ErbB3, a member of the EGF receptor (EGFR) family, lacks several residues that are critical for catalysis. Because catalytic activity in EGFR family members is switched on by an allosteric interaction between kinase domains in an asymmetric kinase domain dimer, HER3 might be specialized to serve as an activator of other EGFR family members. We have determined the crystal structure of the HER3 kinase domain and show that it appears to be locked into an inactive conformation that resembles that of EGFR and HER4. Although the crystal structure shows that the HER3 kinase domain binds ATP, we confirm that it is catalytically inactive but can serve as an activator of the EGFR kinase domain. The HER3 kinase domain forms a dimer in the crystal, mediated by hydrophobic contacts between the N-terminal lobes of the kinase domains. This N-lobe dimer closely resembles a dimer formed by inactive HER4 kinase domains in crystal structures determined previously, and molecular dynamics simulations suggest that the HER3 and HER4 N-lobe dimers are stable. The kinase domains of HER3 and HER4 form similar chains in their respective crystal lattices, in which N-lobe dimers are linked together by reciprocal exchange of C-terminal tails. The conservation of this tiling pattern in HER3 and HER4, which is the closest evolutionary homolog of HER3, might represent a general mechanism by which this branch of the HER receptors restricts ligand-independent formation of active heterodimers with other members of the EGFR family.

The emergence of SARS-CoV-2 variants of concern suggests viral adaptation to enhance human-to-human transmission

Protein kinase-like domains that lack conserved residues known to catalyse phosphoryl transfer, termed pseudokinases, have emerged as important signalling domains across all kingdoms of life. Although predicted to function principally as catalysis-independent protein-interaction modules, several pseudokinase domains have been attributed unexpected catalytic functions, often amid controversy. We established a thermal-shift assay as a benchmark technique to define the nucleotide-binding properties of kinase-like domains. Unlike in vitro kinase assays, this assay is insensitive to the presence of minor quantities of contaminating kinases that may otherwise lead to incorrect attribution of catalytic functions to pseudokinases. We demonstrated the utility of this method by classifying 31 diverse pseudokinase domains into four groups: devoid of detectable nucleotide or cation binding; cation-independent nucleotide binding; cation binding; and nucleotide binding enhanced by cations. Whereas nine pseudokinases bound ATP in a divalent cation-dependent manner, over half of those examined did not detectably bind nucleotides, illustrating that pseudokinase domains predominantly function as non-catalytic protein-interaction modules within signalling networks and that only a small subset is potentially catalytically active. We propose that henceforth the thermal-shift assay be adopted as the standard technique for establishing the nucleotide-binding and catalytic potential of kinase-like domains.

Abstract The SARS-CoV-2 protein Nsp2 has been implicated in a wide range of viral processes, but its exact functions, and the structural basis of those functions, remain unknown. Here, we report an atomic model for full-length Nsp2 obtained by combining cryo-electron microscopy with deep learning-based structure prediction from AlphaFold2. The resulting structure reveals a highly-conserved zinc ion-binding site, suggesting a role for Nsp2 in RNA binding. Mapping emerging mutations from variants of SARS-CoV-2 on the resulting structure shows potential host-Nsp2 interaction regions. Using structural analysis together with affinity tagged purification mass spectrometry experiments, we identify Nsp2 mutants that are unable to interact with the actin-nucleation-promoting WASH protein complex or with GIGYF2, an inhibitor of translation initiation and modulator of ribosome-associated quality control. Our work suggests a potential role of Nsp2 in linking viral transcription within the viral replication-transcription complexes (RTC) to the translation initiation of the viral message. Collectively, the structure reported here, combined with mutant interaction mapping, provides a foundation for functional studies of this evolutionary conserved coronavirus protein and may assist future drug design.

ABSTRACT The SARS-CoV-2 macrodomain (Mac1) within the non-structural protein 3 (Nsp3) counteracts host-mediated antiviral ADP-ribosylation signalling. This enzyme is a promising antiviral target because catalytic mutations render viruses non-pathogenic. Here, we report a massive crystallographic screening and computational docking effort, identifying new chemical matter primarily targeting the active site of the macrodomain. Crystallographic screening of diverse fragment libraries resulted in 214 unique macrodomain-binding fragments, out of 2,683 screened. An additional 60 molecules were selected from docking over 20 million fragments, of which 20 were crystallographically confirmed. X-ray data collection to ultra-high resolution and at physiological temperature enabled assessment of the conformational heterogeneity around the active site. Several crystallographic and docking fragment hits were validated for solution binding using three biophysical techniques (DSF, HTRF, ITC). Overall, the 234 fragment structures presented explore a wide range of chemotypes and provide starting points for development of potent SARS-CoV-2 macrodomain inhibitors.