A new and highly pathogenic coronavirus (severe acute respiratory syndrome coronavirus-2, SARS-CoV-2) caused an outbreak in Wuhan city, Hubei province, China, starting from December 2019 that quickly spread nationwide and to other countries around the world1-3. Here, to better understand the initial step of infection at an atomic level, we determined the crystal structure of the receptor-binding domain (RBD) of the spike protein of SARS-CoV-2 bound to the cell receptor ACE2. The overall ACE2-binding mode of the SARS-CoV-2 RBD is nearly identical to that of the SARS-CoV RBD, which also uses ACE2 as the cell receptor4. Structural analysis identified residues in the SARS-CoV-2 RBD that are essential for ACE2 binding, the majority of which either are highly conserved or share similar side chain properties with those in the SARS-CoV RBD. Such similarity in structure and sequence strongly indicate convergent evolution between the SARS-CoV-2 and SARS-CoV RBDs for improved binding to ACE2, although SARS-CoV-2 does not cluster within SARS and SARS-related coronaviruses1-3,5. The epitopes of two SARS-CoV antibodies that target the RBD are also analysed for binding to the SARS-CoV-2 RBD, providing insights into the future identification of cross-reactive antibodies.

ABSTRACT Since SARS-CoV-2 Omicron variant (B.1.1.529) was reported in November 2021, it has quickly spread to many countries and outcompeted the globally dominant Delta variant in several countries. The Omicron variant contains the largest number of mutations to date, with 32 mutations located at spike (S) glycoprotein, which raised great concern for its enhanced viral fitness and immune escape [1–4] . In this study, we reported the crystal structure of the receptor binding domain (RBD) of Omicron variant S glycoprotein bound to human ACE2 at a resolution of 2.6 Å. Structural comparison, molecular dynamics simulation and binding free energy calculation collectively identified four key mutations (S477N, G496S, Q498R and N501Y) for the enhanced binding of ACE2 by the Omicron RBD compared to the WT RBD. Representative states of the WT and Omicron RBD-ACE2 systems were identified by Markov State Model, which provides a dynamic explanation for the enhanced binding of Omicron RBD. The effects of the mutations in the RBD for antibody recognition were analyzed, especially for the S371L/S373P/S375F substitutions significantly changing the local conformation of the residing loop to deactivate several class IV neutralizing antibodies.

Abstract COVID-19 patients transmitted SARS-CoV-2 to minks in the Netherlands in April 2020. Subsequently, the mink-associated virus (miSARS-CoV-2) spilled back over into humans. Genetic sequences of the miSARS-CoV-2 identified a new genetic variant known as “Cluster 5” that contained mutations in the spike protein. However, the functional properties of these “Cluster 5” mutations have not been well established. In this study, we found that the Y453F mutation located in the RBD domain of miSARS-CoV-2 is an adaptive mutation that enhances binding to mink ACE2 and other orthologs of Mustela species without compromising, and even enhancing, its ability to utilize human ACE2 as a receptor for entry. Structural analysis suggested that despite the similarity in the overall binding mode of SARS-CoV-2 RBD to human and mink ACE2, Y34 of mink ACE2 was better suited to interact with a Phe rather than a Tyr at position 453 of the viral RBD due to less steric clash and tighter hydrophobic-driven interaction. Additionally, the Y453F spike exhibited resistance to convalescent serum, posing a risk for vaccine development. Thus, our study suggests that since the initial transmission from humans, SARS-CoV-2 evolved to adapt to the mink host, leading to widespread circulation among minks while still retaining its ability to efficiently utilize human ACE2 for entry, thus allowing for transmission of the miSARS-CoV-2 back into humans. These findings underscore the importance of active surveillance of SARS-CoV-2 evolution in Mustela species and other susceptible hosts in order to prevent future outbreaks.

Langya virus (LayV) was recently detected in patients with acute pneumonic diseases in China. Genome alignment indicated that LayV is a type of zoonotic henipavirus (HNV) that might also infect domestic animals. Previous studies revealed that HNVs mainly use ephrin-B1, ephrin-B2, or ephrin-B3 as cell receptors and the attachment glycoprotein (G) is the host cell receptor-binding protein. However, the LayV receptor remains unknown. Here, we present the 2.77 Å crystal structure of the LayV G C-terminal domain (CTD). We show that the LayV G protein CTD possesses a similar architecture as the Mojiang virus (MojV) G protein but is markedly different from the Nipah virus (NiV), Hendra virus (HeV), and Cedar virus (CedV) G proteins. Surface plasmon resonance (SPR) experiments indicate that LayV G does not bind ephrin-B proteins. Steric hindrance may prevent interactions between LayV G and ephrin-B. Our data might facilitate drug development targeting LayV.

Industrial fermentation applications typically require enzymes that exhibit high stability and activity at high temperatures. However, efforts to simultaneously improve these properties are usually limited by a trade‐off between stability and activity. This report describes a computational strategy to enhance both activity and thermal stability of the mesophilic organophosphate‐degrading enzyme, methyl parathion hydrolase (MPH). To predict hotspot mutation sites, we assembled a library of features associated with the target properties for each residue and then prioritized candidate sites by hierarchical clustering. Subsequent in silico screening with multiple algorithms to simulate selective pressures yielded a subset of 23 candidate mutations. Iterative parallel screening of mutations that improved thermal stability and activity yielded, MPHase‐m5b, which exhibited 13.3 °C higher Tm and 4.2 times higher catalytic activity than wild‐type (WT) MPH over a wide temperature range. Systematic analysis of crystal structures, molecular dynamics (MD) simulations, and Quantum Mechanics/Molecular Mechanics (QM/MM) calculations revealed a wider entrance to the active site that increased substrate access with an extensive network of interactions outside the active site that reinforced αβ/βα sandwich architecture to improve thermal stability. This study thus provides an advanced, rational design framework to improve efficiency in engineering highly active, thermostable biocatalysts for industrial applications.

A novel and highly pathogenic coronavirus (2019-nCoV) has caused an outbreak in Wuhan city, Hubei province of China since December 2019, and soon spread nationwide and spilled over to other countries around the world. To better understand the initial step of infection at atomic-level, we determined the crystal structure of the 2019-nCoV spike receptor-binding domain (RBD) bound with the cell receptor ACE2 at 2.45 angstrom resolution. The overall ACE2-binding mode of the 2019-nCoV RBD is nearly identical to that of the SARS-CoV RBD, which also utilizes ACE2 as the cell receptor. Structural analysis identified residues in 2019-nCoV RBD critical for ACE2 binding, and majority of which are either highly conserved or shared similar side chain properties with those in the SARS-CoV RBD. Such similarity in structure and sequence strongly argue for a convergent evolution between 2019-nCoV and SARS-CoV RBD for improved binding to ACE2 despite of being segregated in different genetic lineages in the betacoronavirus genus. The epitopes of two SARS-CoV antibodies targeting the RBD are also analyzed with the 2019-nCoV RBD, providing insights into future identification of cross-reactive antibodies.

Abstract Cyclic diadenosine monophosphate (c-di-AMP) is a second-messenger nucleotide that is produced by many bacteria. C-di-AMP can not only regulate bacterial growth, cell-wall homeostasis, ion transport and gene transcription, but can also be recognized by multiple sensor / receptor proteins in infected host cells to trigger an innate immune response. Mycoplasma ovipneumoniae causes non-progressive pneumonia in both sheep and goats. Here, we analyzed c-di-AMP signaling in M. ovipneumoniae , which is a genome-reduced obligately pathogenic bacterium. Our results demonstrate that these bacteria can produce c-di-AMP, and we could identify the diadenylate cyclase, which was named DacM. The enzyme was found to utilize both ATP and ADP to synthesize c-di-AMP, resembling CdaM from a novel family of diadenylate cyclases first found in Mycoplasma pneumoniae . Furthermore, we present the crystal structures of DacM in the apo state and substrate-bound state at 3 Å and 1.9 Å resolution, respectively. Mutation of residues Asp112, Gly113, Tyr128, Phe129, and Arg143 surrounding the active sites to Ala were lethal to DacM enzymatic activity. These structures provide valuable insights into the biochemistry of c-di-AMP, and offer a basis for the structure-based design of new drugs for animal husbandry.

Abstract Mycobacteria tuberculosis (Mtb) remains the deadliest pathogenic bacteria worldwide. The search for new antibiotics to treat drug-sensitive as well as drug-resistant tuberculosis has become a priority. The essential enzyme phenylalanyl-tRNA synthetase (PheRS) is an antibacterial drug target because of the large differences between bacterial and human PheRS counterparts. In a high-throughput screening of 2148 bioactive compounds, PF-3845, which is a known inhibitor of human fatty acid amide hydrolase (FAAH), was identified inhibiting Mtb PheRS at K i ∼0.73 ± 0.055 µM. The inhibition mechanism was studied with enzyme kinetics, protein structural modelling and crystallography, in comparison to a PheRS inhibitor of the noted phenyl-thiazolylurea-sulfonamide class. The 2.3-Å crystal structure of Mtb PheRS in complex with PF-3845 revealed its novel binding mode, in which a trifluoromethyl-pyridinylphenyl group occupies the Phe pocket while a piperidine-piperazine urea group binds into the ATP pocket through an interaction network enforced by a sulfate ion. It represents the first non-nucleoside bi-substrate competitive inhibitor of bacterial PheRS. PF-3845 inhibits the in vitro growth of Mtb H37Rv at ∼24 µM, and the potency of PF-3845 increased against Mtb pheS-FDAS, suggesting on target activity in mycobacterial whole cells. PF-3845 does not inhibit human cytoplasmic or mitochondrial PheRSs in biochemical assay, which can be explained from the crystal structures. Further elaboration of the piperidine-piperazine urea moiety by medicinal chemistry effort will produce potential antibacterial lead with improved selectivity on the cellular level.