The mode of acquisition and causes for the variable clinical spectrum of coronavirus disease 2019 (COVID-19) remain unknown. We utilized a reverse genetics system to generate a GFP reporter virus to explore severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) pathogenesis and a luciferase reporter virus to demonstrate sera collected from SARS and COVID-19 patients exhibited limited cross-CoV neutralization. High-sensitivity RNA in situ mapping revealed the highest angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) expression in the nose with decreasing expression throughout the lower respiratory tract, paralleled by a striking gradient of SARS-CoV-2 infection in proximal (high) versus distal (low) pulmonary epithelial cultures. COVID-19 autopsied lung studies identified focal disease and, congruent with culture data, SARS-CoV-2-infected ciliated and type 2 pneumocyte cells in airway and alveolar regions, respectively. These findings highlight the nasal susceptibility to SARS-CoV-2 with likely subsequent aspiration-mediated virus seeding to the lung in SARS-CoV-2 pathogenesis. These reagents provide a foundation for investigations into virus-host interactions in protective immunity, host susceptibility, and virus pathogenesis.

The emergence of severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) and Middle East respiratory syndrome (MERS)-CoV underscores the threat of cross-species transmission events leading to outbreaks in humans. Here we examine the disease potential of a SARS-like virus, SHC014-CoV, which is currently circulating in Chinese horseshoe bat populations. Using the SARS-CoV reverse genetics system, we generated and characterized a chimeric virus expressing the spike of bat coronavirus SHC014 in a mouse-adapted SARS-CoV backbone. The results indicate that group 2b viruses encoding the SHC014 spike in a wild-type backbone can efficiently use multiple orthologs of the SARS receptor human angiotensin converting enzyme II (ACE2), replicate efficiently in primary human airway cells and achieve in vitro titers equivalent to epidemic strains of SARS-CoV. Additionally, in vivo experiments demonstrate replication of the chimeric virus in mouse lung with notable pathogenesis. Evaluation of available SARS-based immune-therapeutic and prophylactic modalities revealed poor efficacy; both monoclonal antibody and vaccine approaches failed to neutralize and protect from infection with CoVs using the novel spike protein. On the basis of these findings, we synthetically re-derived an infectious full-length SHC014 recombinant virus and demonstrate robust viral replication both in vitro and in vivo. Our work suggests a potential risk of SARS-CoV re-emergence from viruses currently circulating in bat populations.

Coronaviruses are prone to transmission to new host species, as recently demonstrated by the spread to humans of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), the causative agent of the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic1. Small animal models that recapitulate SARS-CoV-2 disease are needed urgently for rapid evaluation of medical countermeasures2,3. SARS-CoV-2 cannot infect wild-type laboratory mice owing to inefficient interactions between the viral spike protein and the mouse orthologue of the human receptor, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2)4. Here we used reverse genetics5 to remodel the interaction between SARS-CoV-2 spike protein and mouse ACE2 and designed mouse-adapted SARS-CoV-2 (SARS-CoV-2 MA), a recombinant virus that can use mouse ACE2 for entry into cells. SARS-CoV-2 MA was able to replicate in the upper and lower airways of both young adult and aged BALB/c mice. SARS-CoV-2 MA caused more severe disease in aged mice, and exhibited more clinically relevant phenotypes than those seen in Hfh4-ACE2 transgenic mice, which express human ACE2 under the control of the Hfh4 (also known as Foxj1) promoter. We demonstrate the utility of this model using vaccine-challenge studies in immune-competent mice with native expression of mouse ACE2. Finally, we show that the clinical candidate interferon-λ1a (IFN-λ1a) potently inhibits SARS-CoV-2 replication in primary human airway epithelial cells in vitro-both prophylactic and therapeutic administration of IFN-λ1a diminished SARS-CoV-2 replication in mice. In summary, the mouse-adapted SARS-CoV-2 MA model demonstrates age-related disease pathogenesis and supports the clinical use of pegylated IFN-λ1a as a treatment for human COVID-196.

ABSTRACT The host innate immune response is an important deterrent of severe viral infection in humans and animals. Nuclear import factors function as key gatekeepers that regulate the transport of innate immune regulatory cargo to the nucleus of cells to activate the antiviral response. Using severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) as a model, we demonstrate that SARS-COV ORF6 protein is localized to the endoplasmic reticulum (ER)/Golgi membrane in infected cells, where it binds to and disrupts nuclear import complex formation by tethering karyopherin alpha 2 and karyopherin beta 1 to the membrane. Retention of import factors at the ER/Golgi membrane leads to a loss of STAT1 transport into the nucleus in response to interferon signaling, thus blocking the expression of STAT1-activated genes that establish an antiviral state. We mapped the region of ORF6, which binds karyopherin alpha 2, to the C terminus of ORF6 and show that mutations in the C terminus no longer bind karyopherin alpha 2 or block the nuclear import of STAT1. We also show that N-terminal deletions of karyopherin alpha 2 that no longer bind to karyopherin beta 1 still retain ORF6 binding activity but no longer block STAT1 nuclear import. Recombinant SARS-CoV lacking ORF6 did not tether karyopherin alpha 2 to the ER/Golgi membrane and allowed the import of the STAT1 complex into the nucleus. We discuss the likely implications of these data on SARS-CoV replication and pathogenesis.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the causative agent of the novel viral disease COVID-19. With no approved therapies, this pandemic illustrates the urgent need for broad-spectrum antiviral countermeasures against SARS-CoV-2 and future emerging CoVs. We report that remdesivir (RDV) potently inhibits SARS-CoV-2 replication in human lung cells and primary human airway epithelial cultures (EC50 = 0.01 μM). Weaker activity is observed in Vero E6 cells (EC50 = 1.65 μM) because of 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 the chimeric virus, therapeutic RDV administration diminishes lung viral load and improves pulmonary function compared with vehicle-treated animals. These data demonstrate that RDV is potently active against SARS-CoV-2 in vitro and in vivo, supporting its further clinical testing for treatment of COVID-19.

No single animal model for severe acute respiratory syndrome (SARS) reproduces all aspects of the human disease. Young inbred mice support SARS-coronavirus (SARS-CoV) replication in the respiratory tract and are available in sufficient numbers for statistical evaluation. They are relatively inexpensive and easily accessible, but their use in SARS research is limited because they do not develop illness following infection. Older (12- to 14-mo-old) BALB/c mice develop clinical illness and pneumonitis, but they can be hard to procure, and immune senescence complicates pathogenesis studies. We adapted the SARS-CoV (Urbani strain) by serial passage in the respiratory tract of young BALB/c mice. Fifteen passages resulted in a virus (MA15) that is lethal for mice following intranasal inoculation. Lethality is preceded by rapid and high titer viral replication in lungs, viremia, and dissemination of virus to extrapulmonary sites accompanied by lymphopenia, neutrophilia, and pathological changes in the lungs. Abundant viral antigen is extensively distributed in bronchial epithelial cells and alveolar pneumocytes, and necrotic cellular debris is present in airways and alveoli, with only mild and focal pneumonitis. These observations suggest that mice infected with MA15 die from an overwhelming viral infection with extensive, virally mediated destruction of pneumocytes and ciliated epithelial cells. The MA15 virus has six coding mutations associated with adaptation and increased virulence; when introduced into a recombinant SARS-CoV, these mutations result in a highly virulent and lethal virus (rMA15), duplicating the phenotype of the biologically derived MA15 virus. Intranasal inoculation with MA15 reproduces many aspects of disease seen in severe human cases of SARS. The availability of the MA15 virus will enhance the use of the mouse model for SARS because infection with MA15 causes morbidity, mortality, and pulmonary pathology. This virus will be of value as a stringent challenge in evaluation of the efficacy of vaccines and antivirals.

Outbreaks from zoonotic sources represent a threat to both human disease as well as the global economy. Despite a wealth of metagenomics studies, methods to leverage these datasets to identify future threats are underdeveloped. In this study, we describe an approach that combines existing metagenomics data with reverse genetics to engineer reagents to evaluate emergence and pathogenic potential of circulating zoonotic viruses. Focusing on the severe acute respiratory syndrome (SARS)-like viruses, the results indicate that the WIV1-coronavirus (CoV) cluster has the ability to directly infect and may undergo limited transmission in human populations. However, in vivo attenuation suggests additional adaptation is required for epidemic disease. Importantly, available SARS monoclonal antibodies offered success in limiting viral infection absent from available vaccine approaches. Together, the data highlight the utility of a platform to identify and prioritize prepandemic strains harbored in animal reservoirs and document the threat posed by WIV1-CoV for emergence in human populations.

A previously undescribed coronavirus (CoV) is the etiologic agent responsible for severe acute respiratory syndrome (SARS). Using a panel of contiguous cDNAs that span the entire genome, we have assembled a full-length cDNA of the SARS-CoV Urbani strain, and have rescued molecularly cloned SARS viruses (infectious clone SARS-CoV) that contained the expected marker mutations inserted into the component clones. Recombinant viruses replicated as efficiently as WT virus and both were inhibited by treatment with the cysteine proteinase inhibitor (2 S ,3 S )-transepoxysuccinyl- l -leucylamido-3-methylbutane ethyl ester. In addition, subgenomic transcripts were initiated from the consensus sequence ACGAAC in both the WT and infectious clone SARS-CoV. Availability of a SARS-CoV full-length cDNA provides a template for manipulation of the viral genome, allowing for the rapid and rational development and testing of candidate vaccines and therapeutics against this important human pathogen.

ABSTRACT Severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) emerged in 2002 as an important cause of severe lower respiratory tract infection in humans, and in vitro models of the lung are needed to elucidate cellular targets and the consequences of viral infection. The SARS-CoV receptor, human angiotensin 1-converting enzyme 2 (hACE2), was detected in ciliated airway epithelial cells of human airway tissues derived from nasal or tracheobronchial regions, suggesting that SARS-CoV may infect the proximal airways. To assess infectivity in an in vitro model of human ciliated airway epithelia (HAE) derived from nasal and tracheobronchial airway regions, we generated recombinant SARS-CoV by deletion of open reading frame 7a/7b (ORF7a/7b) and insertion of the green fluorescent protein (GFP), resulting in SARS-CoV GFP. SARS-CoV GFP replicated to titers similar to those of wild-type viruses in cell lines. SARS-CoV specifically infected HAE via the apical surface and replicated to titers of 10 7 PFU/ml by 48 h postinfection. Polyclonal antisera directed against hACE2 blocked virus infection and replication, suggesting that hACE2 is the primary receptor for SARS-CoV infection of HAE. SARS-CoV structural proteins and virions localized to ciliated epithelial cells. Infection was highly cytolytic, as infected ciliated cells were necrotic and shed over time onto the luminal surface of the epithelium. SARS-CoV GFP also replicated to a lesser extent in ciliated cell cultures derived from hamster or rhesus monkey airways. Efficient SARS-CoV infection of ciliated cells in HAE provides a useful in vitro model of human lung origin to study characteristics of SARS-CoV replication and pathogenesis.

ABSTRACT The evolutionary origins of Middle East respiratory syndrome (MERS) coronavirus (MERS-CoV) are unknown. Current evidence suggests that insectivorous bats are likely to be the original source, as several 2c CoVs have been described from various species in the family Vespertilionidae . Here, we describe a MERS-like CoV identified from a Pipistrellus cf. hesperidus bat sampled in Uganda (strain PREDICT/PDF-2180), further supporting the hypothesis that bats are the evolutionary source of MERS-CoV. Phylogenetic analysis showed that PREDICT/PDF-2180 is closely related to MERS-CoV across much of its genome, consistent with a common ancestry; however, the spike protein was highly divergent (46% amino acid identity), suggesting that the two viruses may have different receptor binding properties. Indeed, several amino acid substitutions were identified in key binding residues that were predicted to block PREDICT/PDF-2180 from attaching to the MERS-CoV DPP4 receptor. To experimentally test this hypothesis, an infectious MERS-CoV clone expressing the PREDICT/PDF-2180 spike protein was generated. Recombinant viruses derived from the clone were replication competent but unable to spread and establish new infections in Vero cells or primary human airway epithelial cells. Our findings suggest that PREDICT/PDF-2180 is unlikely to pose a zoonotic threat. Recombination in the S1 subunit of the spike gene was identified as the primary mechanism driving variation in the spike phenotype and was likely one of the critical steps in the evolution and emergence of MERS-CoV in humans. IMPORTANCE Global surveillance efforts for undiscovered viruses are an important component of pandemic prevention initiatives. These surveys can be useful for finding novel viruses and for gaining insights into the ecological and evolutionary factors driving viral diversity; however, finding a viral sequence is not sufficient to determine whether it can infect people (i.e., poses a zoonotic threat). Here, we investigated the specific zoonotic risk of a MERS-like coronavirus (PREDICT/PDF-2180) identified in a bat from Uganda and showed that, despite being closely related to MERS-CoV, it is unlikely to pose a threat to humans. We suggest that this approach constitutes an appropriate strategy for beginning to determine the zoonotic potential of wildlife viruses. By showing that PREDICT/PDF-2180 does not infect cells that express the functional receptor for MERS-CoV, we further show that recombination was likely to be the critical step that allowed MERS to emerge in humans.