The D614G substitution in the S protein is most prevalent SARS-CoV-2 strain circulating globally, but its effects in viral pathogenesis and transmission remain unclear. We engineered SARS-CoV-2 variants harboring the D614G substitution with or without nanoluciferase. The D614G variant replicates more efficiency in primary human proximal airway epithelial cells and is more fit than wildtype (WT) virus in competition studies. With similar morphology to the WT virion, the D614G virus is also more sensitive to SARS-CoV-2 neutralizing antibodies. Infection of human ACE2 transgenic mice and Syrian hamsters with the WT or D614G viruses produced similar titers in respiratory tissue and pulmonary disease. However, the D614G variant exhibited significantly faster droplet transmission between hamsters than the WT virus, early after infection. Our study demonstrated the SARS-CoV2 D614G substitution enhances infectivity, replication fitness, and early transmission.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) emerged in 2019 as the causative agent of the novel pandemic viral disease COVID-19. With no approved therapies, this pandemic illustrates the urgent need for safe, broad-spectrum antiviral countermeasures against SARS-CoV-2 and future emerging CoVs. We report that remdesivir (RDV), a monophosphoramidate prodrug of an adenosine analog, potently inhibits SARS-CoV-2 replication in human lung cells and primary human airway epithelial cultures (EC 50 = 0.01 μM). Weaker activity was observed in Vero E6 cells (EC 50 = 1.65 μM) due to their low capacity to metabolize RDV. To rapidly evaluate in vivo efficacy, we engineered a chimeric SARS-CoV encoding the viral target of RDV, the RNA-dependent RNA polymerase, of SARS-CoV-2. In mice infected with chimeric virus, therapeutic RDV administration diminished lung viral load and improved pulmonary function as compared to vehicle treated animals. These data provide evidence that RDV is potently active against SARS-CoV-2 in vitro and in vivo , supporting its further clinical testing for treatment of COVID-19.

Abstract The emergence of SARS-CoV in 2003 and SARS-CoV-2 in 2019 highlights the need to develop universal vaccination strategies against the broader Sarbecovirus subgenus. Using chimeric spike designs, we demonstrate protection against challenge from SARS-CoV, SARS-CoV-2, SARS-CoV-2 B.1.351, bat CoV (Bt-CoV) RsSHC014, and a heterologous Bt-CoV WIV-1 in vulnerable aged mice. Chimeric spike mRNAs induced high levels of broadly protective neutralizing antibodies against high-risk Sarbecoviruses. In contrast, SARS-CoV-2 mRNA vaccination not only showed a marked reduction in neutralizing titers against heterologous Sarbecoviruses, but SARS-CoV and WIV-1 challenge in mice resulted in breakthrough infection. Chimeric spike mRNA vaccines efficiently neutralized D614G, UK B.1.1.7., mink cluster five, and the South African B.1.351 variant of concern. Thus, multiplexed-chimeric spikes can prevent SARS-like zoonotic coronavirus infections with pandemic potential. Sentence Chimerized RBD, NTD, and S2 spike mRNA-LNPs protect mice against epidemic, zoonotic, and pandemic SARS-like viruses

A safe, effective, and scalable vaccine is urgently needed to halt the ongoing SARS-CoV-2 pandemic. Here, we describe the structure-based design of self-assembling protein nanoparticle immunogens that elicit potent and protective antibody responses against SARS-CoV-2 in mice. The nanoparticle vaccines display 60 copies of the SARS-CoV-2 spike (S) glycoprotein receptor-binding domain (RBD) in a highly immunogenic array and induce neutralizing antibody titers roughly ten-fold higher than the prefusion-stabilized S ectodomain trimer despite a more than five-fold lower dose. Antibodies elicited by the nanoparticle immunogens target multiple distinct epitopes on the RBD, suggesting that they may not be easily susceptible to escape mutations, and exhibit a significantly lower binding:neutralizing ratio than convalescent human sera, which may minimize the risk of vaccine-associated enhanced respiratory disease. The high yield and stability of the protein components and assembled nanoparticles, especially compared to the SARS-CoV-2 prefusion-stabilized S trimer, suggest that manufacture of the nanoparticle vaccines will be highly scalable. These results highlight the utility of robust antigen display platforms for inducing potent neutralizing antibody responses and have launched cGMP manufacturing efforts to advance the lead RBD nanoparticle vaccine into the clinic.

COVID-19 survivors develop post-acute sequelae of SARS-CoV-2 (PASC), but the mechanistic basis of PASC-associated lung abnormalities suffers from a lack of longitudinal samples. Mouse-adapted SARS-CoV-2 MA10 produces an acute respiratory distress syndrome (ARDS) in mice similar to humans. To investigate PASC pathogenesis, studies of MA10-infected mice were extended from acute disease through clinical recovery. At 15-120 days post-virus clearance, histologic evaluation identified subpleural lesions containing collagen, proliferative fibroblasts, and chronic inflammation with tertiary lymphoid structures. Longitudinal spatial transcriptional profiling identified global reparative and fibrotic pathways dysregulated in diseased regions, similar to human COVID-19. Populations of alveolar intermediate cells, coupled with focal upregulation of pro-fibrotic markers, were identified in persistently diseased regions. Early intervention with antiviral EIDD-2801 reduced chronic disease, and early anti-fibrotic agent (nintedanib) intervention modified early disease severity. This murine model provides opportunities to identify pathways associated with persistent SARS-CoV-2 pulmonary disease and test countermeasures to ameliorate PASC.

Monoclonal antibodies are a promising approach to treat COVID-19, however the emergence of SARS-CoV-2 variants has challenged the efficacy and future of these therapies. Antibody cocktails are being employed to mitigate these challenges, but neutralization escape remains a major challenge and alternative strategies are needed. Here we present two anti-SARS-CoV-2 spike binding antibodies, one Class 1 and one Class 4, selected from our non-immune human single-chain variable fragment (scFv) phage library, that are engineered into four, fully-human IgG-like bispecific antibodies (BsAb). Prophylaxis of hACE2 mice and post-infection treatment of golden hamsters demonstrates the efficacy of the monospecific antibodies against the original Wuhan strain, while promising in vitro results with the BsAbs demonstrate enhanced binding and distinct synergistic effects on neutralizing activity against circulating variants of concern. In particular, one BsAb engineered in a tandem scFv-Fc configuration shows synergistic neutralization activity against several variants of concern including B.1.617.2. This work provides evidence that synergistic neutralization can be achieved using a BsAb scaffold, and serves as a foundation for the future development of broadly reactive BsAbs against emerging variants of concern.

Improving the standard of clinical care for individuals infected with SARS-CoV-2 variants is a global health priority. Small molecule antivirals like remdesivir (RDV) and biologics such as human monoclonal antibodies (mAb) have demonstrated therapeutic efficacy against SARS-CoV-2, the causative agent of COVID-19. However, it is not known if combination RDV/mAb will improve outcomes over single agent therapies or whether antibody therapies will remain efficacious against variants. In kinetic studies in a mouse-adapted model of ancestral SARS-CoV-2 pathogenesis, we show that a combination of two mAbs in clinical trials, C144 and C135, have potent antiviral effects against even when initiated 48 hours after infection. The same antibody combination was also effective in prevention and therapy against the B.1.351 variant of concern (VOC). Combining RDV and antibodies provided a modest improvement in outcomes compared to single agents. These data support the continued use of RDV to treat SARS-CoV-2 infections and support the continued clinical development of the C144 and C135 antibody combination to treat patients infected with SARS-CoV-2 variants.

The rapid emergence of SARS-CoV-2 variants that evade immunity to vaccination has placed a global health imperative on the development of therapeutic countermeasures that provide broad protection against SARS-CoV-2 and related sarbecoviruses. Here, we identified extremely potent pan-sarbecovirus antibodies from non-human primates vaccinated with an AS03 adjuvanted subunit vaccine against SARS-CoV-2 that recognize conserved epitopes in the receptor binding domain (RBD) with femtomolar affinities. Longitudinal analysis revealed progressive accumulation of somatic mutation in the immunoglobulin genes of antigen-specific memory B cells for at least one year following primary vaccination. 514 monoclonal antibodies (mAbs) were generated from antigen-specific memory B cells. Antibodies isolated at 5 to 12 months following vaccination displayed greater potency and breadth, relative to those identified at 1.4 months. Notably, 15 out of 338 (∼4.4%) antibodies isolated at 1.4∼6 months after the primary vaccination showed extraordinary neutralization potency against SARS-CoV-2 omicron BA.1, despite the absence of BA.1 neutralization in serum. Two of them, 25F9 and 20A7, neutralized authentic clade Ia sarbecoviruses (SARS-CoV, WIV-1, SHC014) and clade Ib sarbecoviruses (SARS-CoV-2 D614G, SARS-CoV-2 BA.1, Pangolin-GD) with half-maximal inhibition concentrations of (0.85 ng/ml, 3 ng/ml, 6 ng/ml, 6 ng/ml, 42 ng/ml, 6 ng/ml) and (13 ng/ml, 2 ng/ml, 18 ng/ml, 9 ng/ml, 6 ng/ml, 345 ng/ml), respectively. Furthermore, 20A7 and 27A12 showed potent neutralization against all SARS-CoV-2 variants of concern and multiple Omicron sublineages, including BA.1, BA.2, BA.3, BA.4/5, BQ.1, BQ.1.1 and XBB variants. X-ray crystallography studies revealed the molecular basis of broad and potent neutralization through targeting conserved RBD sites. In vivo prophylactic protection of 25F9, 20A7 and 27A12 was confirmed in aged Balb/c mice. Notably, administration of 25F9 provided complete protection against SARS-CoV-2, SARS-CoV-2 BA.1, SARS-CoV, and SHC014 challenge, underscoring that these mAbs are promising pan-sarbecovirus therapeutic antibodies.Extremely potent pan-sarbecovirus neutralizing antibodies.

Abstract The global COVID-19 pandemic has sparked intense interest in the rapid development of vaccines as well as animal models to evaluate vaccine candidates and to define immune correlates of protection. We recently reported a mouse-adapted SARS-CoV-2 virus strain (MA10) with the potential to infect wild-type laboratory mice, driving high levels of viral replication in respiratory tract tissues as well as severe clinical and respiratory symptoms, aspects of COVID-19 disease in humans that are important to capture in model systems. We evaluated the immunogenicity and protective efficacy of novel rhesus adenovirus serotype 52 (RhAd52) vaccines against MA10 challenge in mice. Baseline seroprevalence is lower for rhesus adenovirus vectors than for human or chimpanzee adenovirus vectors, making these vectors attractive candidates for vaccine development. We observed that RhAd52 vaccines elicited robust binding and neutralizing antibody titers, which inversely correlated with viral replication after challenge. These data support the development of RhAd52 vaccines and the use of the MA10 challenge virus to screen novel vaccine candidates and to study the immunologic mechanisms that underscore protection from SARS-CoV-2 challenge in wild-type mice. Importance We have developed a series of SARS-CoV-2 vaccines using rhesus adenovirus serotype 52 (RhAd52) vectors, which exhibits a lower seroprevalence than human and chimpanzee vectors, supporting their development as novel vaccine vectors or as an alternative Ad vector for boosting. We sought to test these vaccines using a recently reported mouse-adapted SARS-CoV-2 (MA10) virus to i) evaluate the protective efficacy of RhAd52 vaccines and ii) further characterize this mouse-adapted challenge model and probe immune correlates of protection. We demonstrate RhAd52 vaccines elicit robust SARS-CoV-2-specific antibody responses and protect against clinical disease and viral replication in the lungs. Further, binding and neutralizing antibody titers correlated with protective efficacy. These data validate the MA10 mouse model as a useful tool to screen and study novel vaccine candidates, as well as the development of RhAd52 vaccines for COVID-19.

Infectious diseases have shaped the human population genetic structure, and genetic variation influences the susceptibility to many viral diseases. However, a variety of challenges have made the implementation of traditional human Genome-wide Association Studies (GWAS) approaches to study these infectious outcomes challenging. In contrast, mouse models of infectious diseases provide an experimental control and precision, which facilitates analyses and mechanistic studies of the role of genetic variation on infection. Here we use a genetic mapping cross between two distinct Collaborative Cross mouse strains with respect to SARS-CoV disease outcomes. We find several loci control differential disease outcome for a variety of traits in the context of SARS-CoV infection. Importantly, we identify a locus on mouse Chromosome 9 that shows conserved synteny with a human GWAS locus for SARS-CoV-2 severe disease. We follow-up and confirm a role for this locus, and identify two candidate genes, CCR9 and CXCR6 that both play a key role in regulating the severity of SARS-CoV, SARS-CoV-2 and a distantly related bat sarbecovirus disease outcomes. As such we provide a template for using experimental mouse crosses to identify and characterize multitrait loci that regulate pathogenic infectious outcomes across species.