A safe and effective vaccine against COVID-19 is urgently needed in quantities that are sufficient to immunize large populations. Here we report the preclinical development of two vaccine candidates (BNT162b1 and BNT162b2) that contain nucleoside-modified messenger RNA that encodes immunogens derived from the spike glycoprotein (S) of SARS-CoV-2, formulated in lipid nanoparticles. BNT162b1 encodes a soluble, secreted trimerized receptor-binding domain (known as the RBD–foldon). BNT162b2 encodes the full-length transmembrane S glycoprotein, locked in its prefusion conformation by the substitution of two residues with proline (S(K986P/V987P); hereafter, S(P2) (also known as P2 S)). The flexibly tethered RBDs of the RBD–foldon bind to human ACE2 with high avidity. Approximately 20% of the S(P2) trimers are in the two-RBD 'down', one-RBD 'up' state. In mice, one intramuscular dose of either candidate vaccine elicits a dose-dependent antibody response with high virus-entry inhibition titres and strong T-helper-1 CD4+ and IFNγ+CD8+ T cell responses. Prime–boost vaccination of rhesus macaques (Macaca mulatta) with the BNT162b candidates elicits SARS-CoV-2-neutralizing geometric mean titres that are 8.2–18.2× that of a panel of SARS-CoV-2-convalescent human sera. The vaccine candidates protect macaques against challenge with SARS-CoV-2; in particular, BNT162b2 protects the lower respiratory tract against the presence of viral RNA and shows no evidence of disease enhancement. Both candidates are being evaluated in phase I trials in Germany and the USA1–3, and BNT162b2 is being evaluated in an ongoing global phase II/III trial (NCT04380701 and NCT04368728). BNT162b1 and BNT162b2 are two candidate mRNA vaccines against COVID-19 that elicit high virus-entry inhibition titres in mice, elicit high virus-neutralizing titres in rhesus macaques and protect macaques from SARS-CoV-2 challenge.

Abstract A safe and effective vaccine against COVID-19 is urgently needed in quantities sufficient to immunise large populations. We report the preclinical development of two BNT162b vaccine candidates, which contain lipid-nanoparticle (LNP) formulated nucleoside-modified mRNA encoding SARS-CoV-2 spike glycoprotein-derived immunogens. BNT162b1 encodes a soluble, secreted, trimerised receptor-binding domain (RBD-foldon). BNT162b2 encodes the full-length transmembrane spike glycoprotein, locked in its prefusion conformation (P2 S). The flexibly tethered RBDs of the RBD-foldon bind ACE2 with high avidity. Approximately 20% of the P 2S trimers are in the two-RBD ‘down,’ one-RBD ‘up’ state. In mice, one intramuscular dose of either candidate elicits a dose-dependent antibody response with high virus-entry inhibition titres and strong TH1 CD4 + and IFNγ + CD8 + T-cell responses. Prime/boost vaccination of rhesus macaques with BNT162b candidates elicits SARS-CoV-2 neutralising geometric mean titres 8.2 to 18.2 times that of a SARS-CoV-2 convalescent human serum panel. The vaccine candidates protect macaques from SARS-CoV-2 challenge, with BNT162b2 protecting the lower respiratory tract from the presence of viral RNA and with no evidence of disease enhancement. Both candidates are being evaluated in phase 1 trials in Germany and the United States. BNT162b2 is being evaluated in an ongoing global, pivotal Phase 2/3 trial ( NCT04380701 , NCT04368728 ).

Abstract Peptide agonists of the glucagon-like peptide-1 receptor (GLP-1R) have revolutionized diabetes therapy, but their use has been limited by the requirement for injection. Here we describe the first effective, orally bioavailable small molecule GLP-1R agonists. A sensitized high-throughput screen identified a series of small molecule GLP-1R agonists that were optimized to promote endogenous GLP-1R signaling with nM potency. These small molecule agonists increased insulin levels in primates but not rodents, which is explained by a cryo-EM structure that revealed a binding pocket requiring primate-specific tryptophan 33. Importantly, oral administration of agonist PF-06882961 to healthy humans produced dose-dependent declines in serum glucose ( NCT03309241 ). This opens the door to a new era of oral small molecule therapies that target the well-validated GLP-1R pathway for metabolic health. One Sentence Summary PF-06882961 is an orally administered small molecule that activates the GLP-1 receptor to lower blood glucose in humans.

The dNTPase activity of tetrameric SAM and HD domain containing deoxynucleoside triphosphate triphosphohydrolase 1 (SAMHD1) plays a critical role in cellular dNTP regulation. SAMHD1 also associates with stalled DNA replication forks, DNA repair foci, ssRNA, and telomeres. The above functions require nucleic acid binding by SAMHD1, which may be modulated by its oligomeric state. Here we establish that the guanine-specific A1 activator site of each SAMHD1 monomer is used to target the enzyme to guanine nucleotides within single-stranded (ss) DNA and RNA. Remarkably, nucleic acid strands containing a single guanine base induce dimeric SAMHD1, while two or more guanines with ~20 nucleotide spacing induce a tetrameric form. A cryo-EM structure of ssRNA-bound tetrameric SAMHD1 shows how ssRNA strands bridge two SAMHD1 dimers and stabilize the structure. This ssRNA-bound tetramer is inactive with respect to dNTPase and RNase activity.

Glycogen synthase (GYS1), in complex with glycogenin (GYG1), is the central enzyme of muscle glycogen biosynthesis, and its inhibition has been proposed as a therapeutic avenue for various glycogen storage diseases (GSDs). GYS1 activity is inhibited by phosphorylation of its N- and C-termini, which can be relieved by allosteric activation of glucose-6-phosphate. However, the structural basis of GYS1 regulation is unclear. Here, we present the first cryo-EM structures of phosphorylated human GYS1 complexed with a minimal interacting region of GYG1 in the inhibited, activated, and catalytically competent states at resolutions of 3.0-4.0 Å. These structures reveal how phosphorylations of specific N- and C- terminal residues are sensed by different arginine clusters that lock the GYS1 tetramer complex in an inhibited state via inter-subunit interactions. The allosteric activator, glucose-6-phopshate, promotes a conformational change by disrupting these interactions and increases flexibility of GYS1 allowing for a catalytically competent state to occur when bound to the sugar donor UDP-glucose. We also identify an inhibited-like conformation that has not transitioned into the activated state, whereby the locking interaction of phosphorylation with the arginine cluster impedes the subsequent conformational changes due to glucose-6-phosphate binding. Finally, we show that the PP1 phosphatase regulatory subunit PPP1R3C (PTG) is recruited to the GYS1:GYG1 complex through direct interaction with glycogen. Our results address long-standing questions into the mechanism of human glycogen synthase regulation.

Abstract Adhesion of E. coli to the urinary tract epithelium is a critical step in establishing urinary tract infections. FimH is an adhesin positioned on the fimbrial tip which binds to mannosylated proteins on the urinary tract epithelium via its lectin domain (FimH LD ). FimH is of interest as a target of vaccines to prevent urinary tract infections (UTI). Previously, difficulties in obtaining purified recombinant FimH from E. coli along with the poor inherent immunogenicity of FimH have hindered the development of effective FimH vaccine candidates. To overcome these challenges, we have devised a novel production method using mammalian cells to produce high yields of homogeneous FimH protein with comparable biochemical and immunogenic properties to FimH produced in E. coli. Next, to optimize conformational stability and immunogenicity of FimH, we used a computational approach to design improved FimH mutants and evaluated their biophysical and biochemical properties, and murine immunogenicity. This approach identified a highly immunogenic FimH variant (FimH-DSG TM) that is produced at high yields in mammalian cells. By x-ray crystallography, we confirmed that the stabilized structure of the FimH LD in FimH-DSG TM is similar to native FimH on the fimbrial tip. Characterization of monoclonal antibodies elicited by FimH-DSG TM that can block bacterial binding to mannosylated surfaces identified 4 non-overlapping binding sites whose epitopes were mapped via a combinatorial cryogenic electron microscopy approach. Novel inhibitory epitopes in the lectin binding FimH were identified, revealing diverse functional mechanisms of FimH-directed antibodies with relevance to FimH-targeted UTI vaccines. Author summary Escherichia coli is the primary cause of urinary tract infections. Adherence to uroepithelial surfaces is mediated by the pilus adhesin protein FimH, which is of interest as a vaccine candidate. We developed a method for producing recombinant FimH at bioprocess scale, previously a barrier to commercial development. Structure-based design and screening was used to identify a novel FimH vaccine candidate with improved stability and immunogenicity in mice. Structure of this full-length protein was determined by X-ray crystallography and shown to closely resemble the pilus adhesin present in its native form on the bacterial surface. Binding sites of biologically active FimH monoclonal antibodies were determined by X-ray crystallography or by cryo-electron microscopy, providing insights into mechanisms by which antibodies block binding of the bacteria to urinary tract receptors. One sentence summary Structure-based design of a conformationally stabilized E. coli FimH vaccine candidate capable of eliciting antibodies to diverse epitopes with the ability to block bacterial binding to bladder epithelial cells.

Abstract SAM and HD domain containing deoxynucleoside triphosphate triphosphohydrolase 1 (SAMHD1) is driven into its activated tetramer form by binding of GTP activator and dNTP activators/substrates. In addition, the inactive monomeric and dimeric forms of the enzyme bind to single-stranded (ss) nucleic acids. During DNA replication SAMHD1 can be phosphorylated by CDK1 and CDK2 at its C-terminal threonine 592 (pSAMHD1), enabling the enzyme to localize to stalled replication forks (RFs) and promote their restart. Since localization of a potent dNTPase at stalled RFs is not harmonious with DNA replication, we used a series of kinetic and thermodynamic measurements to explore a hypothesis where the combined effects of T592 phosphorylation and ssDNA binding serves as a dual switch to turn-off SAMHD1 dNTPase activity. We report that phosphorylation has only a small effect on the dNTPase activity and ssDNA binding affinity of SAMHD1. However, perturbation of the native T592 by phosphorylation decreased the thermal stability of tetrameric SAMHD1 and accelerated tetramer dissociation in the absence and presence of ssDNA (~15-fold). In addition, we found that ssDNA binds competitively with GTP to the A1 site. A full-length SAMHD1 cryo-EM structure revealed substantial baseline dynamics in the C-terminal domain (which contains T592) which may be modulated by phosphorylation. We propose that T592 phosphorylation increases tetramer dynamics and allows invasion of ssDNA into the A1 site and the previously characterized DNA binding surface at the dimer-dimer interface. These features are consistent with rapid and regiospecific inactivation of pSAMHD1 dNTPase at RFs or other sites of free ssDNA in cells.

Transient receptor potential vanilloid 2 (TRPV2) plays a critical role in neuronal development, cardiac function, immunity, and cancer. Cannabidiol (CBD), the non-psychotropic therapeutically active ingredient of Cannabis sativa , is a potent activator of TRPV2 and also modulates other transient receptor potential (TRP) channels. Here, we determined structures of the full-length TRPV2 channel in a CBD-bound state in detergent and in PI(4,5)P2 enriched nanodiscs by cryo-electron microscopy. CBD interacts with TRPV2 through a hydrophobic pocket located between S5 and S6 helices of adjacent subunits, which differs from known ligand and lipid binding sites in other TRP channels. Comparison between apo- and two CBD-bound TRPV2 structures reveals that the S4-S5 linker plays a critical role in channel gating upon CBD binding. The TRPV2 “vanilloid” pocket, which is critical for ligand-dependent gating in other TRPV channels, stays unoccupied by annular lipids, PI(4,5)P2, or CBD. Together these results provide a foundation to further understand TRPV channel gating properties and their divergent physiological functions and to accelerate structure-based drug design.

Abstract GPR61 is a biogenic amine receptor-related orphan GPCR associated with phenotypes relating to appetite and thus, is of interest as a druggable target to treat disorders of metabolism and body weight, such as obesity and cachexia. To date, lack of structural information or a known biological ligand or tool compound has hindered comprehensive efforts to study its structure and function. Here, we report the first ever structural characterization of GPR61, in both its active-like complex with heterotrimeric G protein and in its inactive state. Moreover, we report the discovery of a potent and selective small-molecule inverse agonist against GPR61 and structural elucidation of its unprecedented allosteric site and mode of action. These findings offer key mechanistic insights into an orphan GPCR, while providing both a new structural framework and tool compound to support further studies of GPR61 function and modulation.

Alanine-serine-cysteine transporter 2 (ASCT2, SLC1A5) is the primary transporter of glutamine in cancer cells and regulates the mTORC1 signaling pathway. The SLC1A5 function involves finely tuned orchestration of two domain movements that include the substrate-binding transport domain and the scaffold domain. Here, we present cryo-EM structures of human SLC1A5 and its complex with the substrate, L-glutamine in an outward-facing conformation. These structures reveal insights into the conformation of the critical ECL2a loop which connects the two domains, thus allowing rigid body movement of the transport domain throughout the transport cycle. Furthermore, the structures provide new insights into substrate recognition, which involves conformational changes in the HP2 loop. A putative cholesterol binding site was observed near the domain interface in the outward-facing state. Comparison with the previously determined inward-facing structure of SCL1A5 provides a basis for a more integrated understanding of substrate recognition and transport mechanism in the SLC1 family. Our structures are likely to aid the development of potent and selective SLC1A5 inhibitors for the treatment of cancer and autoimmune disorders.