The novel emerged SARS-CoV-2 has rapidly spread around the world causing acute infection of the respiratory tract (COVID-19) that can result in severe disease and lethality. For SARS-CoV-2 to enter cells, its surface glycoprotein spike (S) must be cleaved at two different sites by host cell proteases, which therefore represent potential drug targets. In the present study, we show that S can be cleaved by the proprotein convertase furin at the S1/S2 site and the transmembrane serine protease 2 (TMPRSS2) at the S2′ site. We demonstrate that TMPRSS2 is essential for activation of SARS-CoV-2 S in Calu-3 human airway epithelial cells through antisense-mediated knockdown of TMPRSS2 expression. Furthermore, SARS-CoV-2 replication was also strongly inhibited by the synthetic furin inhibitor MI-1851 in human airway cells. In contrast, inhibition of endosomal cathepsins by E64d did not affect virus replication. Combining various TMPRSS2 inhibitors with furin inhibitor MI-1851 produced more potent antiviral activity against SARS-CoV-2 than an equimolar amount of any single serine protease inhibitor. Therefore, this approach has considerable therapeutic potential for treatment of COVID-19.

Research Article1 July 1992free access Influenza virus hemagglutinin with multibasic cleavage site is activated by furin, a subtilisin-like endoprotease. A. Stieneke-Gröber A. Stieneke-Gröber Institut für Virologie, Philipps-Universität Marburg, Germany. Search for more papers by this author M. Vey M. Vey Institut für Virologie, Philipps-Universität Marburg, Germany. Search for more papers by this author H. Angliker H. Angliker Institut für Virologie, Philipps-Universität Marburg, Germany. Search for more papers by this author E. Shaw E. Shaw Institut für Virologie, Philipps-Universität Marburg, Germany. Search for more papers by this author G. Thomas G. Thomas Institut für Virologie, Philipps-Universität Marburg, Germany. Search for more papers by this author C. Roberts C. Roberts Institut für Virologie, Philipps-Universität Marburg, Germany. Search for more papers by this author H.D. Klenk H.D. Klenk Institut für Virologie, Philipps-Universität Marburg, Germany. Search for more papers by this author W. Garten W. Garten Institut für Virologie, Philipps-Universität Marburg, Germany. Search for more papers by this author A. Stieneke-Gröber A. Stieneke-Gröber Institut für Virologie, Philipps-Universität Marburg, Germany. Search for more papers by this author M. Vey M. Vey Institut für Virologie, Philipps-Universität Marburg, Germany. Search for more papers by this author H. Angliker H. Angliker Institut für Virologie, Philipps-Universität Marburg, Germany. Search for more papers by this author E. Shaw E. Shaw Institut für Virologie, Philipps-Universität Marburg, Germany. Search for more papers by this author G. Thomas G. Thomas Institut für Virologie, Philipps-Universität Marburg, Germany. Search for more papers by this author C. Roberts C. Roberts Institut für Virologie, Philipps-Universität Marburg, Germany. Search for more papers by this author H.D. Klenk H.D. Klenk Institut für Virologie, Philipps-Universität Marburg, Germany. Search for more papers by this author W. Garten W. Garten Institut für Virologie, Philipps-Universität Marburg, Germany. Search for more papers by this author Author Information A. Stieneke-Gröber1, M. Vey1, H. Angliker1, E. Shaw1, G. Thomas1, C. Roberts1, H.D. Klenk1 and W. Garten1 1Institut für Virologie, Philipps-Universität Marburg, Germany. The EMBO Journal (1992)11:2407-2414https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1992.tb05305.x PDFDownload PDF of article text and main figures. ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack CitationsPermissions ShareFacebookTwitterLinked InMendeleyWechatReddit Figures & Info Many viruses have membrane glycoproteins that are activated at cleavage sites containing multiple arginine and lysine residues by cellular proteases so far not identified. The proteases responsible for cleavage of the hemagglutinin of fowl plague virus, a prototype of these glycoproteins, has now been isolated from Madin-Darby bovine kidney cells. The enzyme has a mol. wt of 85,000, a pH optimum ranging from 6.5 to 7.5, is calcium dependent and recognizes the consensus sequence R-X-K/R-R at the cleavage site of the hemagglutinin. Using a specific antiserum it has been identified as furin, a subtilisin-like eukaryotic protease. The fowl plague virus hemagglutinin was also cleaved after coexpression with human furin from cDNA by vaccinia virus vectors. Peptidyl chloroalkylketones containing the R-X-K/R-R motif specifically bind to the catalytic site of furin and are therefore potent inhibitors of hemagglutinin cleavage and fusion activity. Previous ArticleNext Article Volume 11Issue 71 July 1992In this issue RelatedDetailsLoading ...

ABSTRACT Host cell proteases that cleave the hemagglutinin (HA) of influenza viruses in the human respiratory tract are still not identified. Here we cloned two human type II transmembrane serine proteases with known airway localization, TMPRSS2 and HAT, into mammalian expression vector. Cotransfection of mammalian cells with plasmids encoding HA and either protease resulted in HA cleavage in situ. Transient expression of either protease in MDCK cells enabled multicycle replication of influenza viruses in these cells in the absence of exogenous trypsin. These data suggest that TMPRSS2 and HAT are candidates for proteolytic activation of influenza viruses in vivo.

Plaque assays in cell culture monolayers under solid or semisolid overlay media are commonly used for quantification of viruses and antiviral substances. To overcome the pitfalls of known overlays, we tested suspensions of microcrystalline cellulose Avicel RC/CL™ as overlay media in the plaque and plaque-inhibition assay of influenza viruses. Significantly larger plaques were formed under Avicel-containing media, as compared to agar and methylcellulose (MC) overlay media. The plaque size increased with decreasing Avicel concentration, but even very diluted Avicel overlays (0.3%) ensured formation of localized plaques. Due to their low viscosity, Avicel overlays were easier to use than methylcellulose overlays, especially in the 96-well culture plates. Furthermore, Avicel overlay could be applied without prior removal of the virus inoculum thus facilitating the assay and reducing chances of cross-contamination. Using neuraminidase inhibitor oseltamivir carboxylate, we demonstrated applicability of the Avicel-based plaque reduction assay for testing of antiviral substances. Plaque assay under Avicel-containing overlay media is easier, faster and more sensitive than assays under agar- and methylcellulose overlays. The assay can be readily performed in a 96-well plate format and seems particularly suitable for high-throughput virus titrations, serological studies and experiments on viral drug sensitivity. It may also facilitate work with highly pathogenic agents performed under hampered conditions of bio-safety labs.

The structural basis for the different proteolytic cleavability of influenza virus hemagglutinin (HA) was investigated with a group of pathogenic and nonpathogenic avian influenza viruses belonging to the antigenic subtype H7 (Hav1). Infected cel lysates or lystates of purified virus particles were subjected to two-dimensional gel electrophoresis. The first dimension, isoelectric focusing,- was done under nonreducing conditions, the second dimension, SDS-PAGE, under reducing conditions. The results obtained permit the following conclusions: The amino acid sequence of the connecting peptide between HA1 and HA2 determines proteolytic cleavability by a trypsin-like cellular enzyme. Upon proteolytic cleavage of HA of pathogenic strains, peptides of differing positive charge were eliminated. These HAs have, however, significantly more basic connecting peptides than HAs of nonpathogenic viruses. HAs of nonpathogenic H7 strains appear to have a connecting peptide similar to the human influenza viruses, since treatment of these viruses with trypsin results in a similar small charge shift which probably corresponds to the elimination of one basic amino acid. Thus, the primary structure of the connecting peptide determines biological activation and thereby pathogenicity of these viruses.

In December 2019, a novel coronavirus named SARS-CoV-2 first reported in Wuhan, China, emerged and rapidly spread to numerous other countries globally, causing the current pandemic. SARS-CoV-2 causes acute infection of the respiratory tract (COVID-19) that can result in severe disease and lethality. Currently, there is no approved antiviral drug for treating COVID-19 patients and there is an urgent need for specific antiviral therapies and vaccines. In order for SARS-CoV-2 to enter cells, its surface glycoprotein spike (S) must be cleaved at two different sites by host cell proteases, which therefore represent potential drug targets. In the present study we investigated which host cell proteases activate the SARS-CoV-2 S protein in Calu-3 human airway epithelial cells. We show that S can be cleaved by both the proprotein convertase furin at the S1/S2 site and the transmembrane serine protease 2 (TMPRSS2) at the S2 site. We demonstrate that TMPRSS2 is essential for activation of SARS-CoV-2 S in Calu-3 cells through antisense-mediated knockdown of TMPRSS2 expression. Further, we show that SARS-CoV-2 replication can be efficiently inhibited by two synthetic inhibitors of TMPRSS2 and also by the broad range serine protease inhibitor aprotinin. Additionally, SARS-CoV-2 replication was also strongly inhibited by the synthetic furin inhibitor MI-1851. Combining various TMPRSS2 inhibitors with MI-1851 produced more potent antiviral activity against SARS-CoV-2 than an equimolar amount of any single serine protease inhibitor. In contrast, inhibition of endosomal cathepsins by E64d did not affect virus replication. Our data demonstrate that both TMPRSS2 and furin are essential for SARS-CoV-2 activation in human airway cells and are promising drug targets for the treatment of COVID-19 either by targeting one of these proteases alone or by a combination of furin and TMPRSS2 inhibitors. Therefore, this approach has a high therapeutic potential for treatment of COVID-19.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.