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.

Abstract A mechanistic understanding of the SARS-CoV-2 viral replication cycle is essential to develop new therapies for the COVID-19 global health crisis. In this study, we show that the SARS-CoV-2 nucleocapsid protein (N-protein) undergoes liquid-liquid phase separation (LLPS) with the viral genome, and propose a model of viral packaging through LLPS. N-protein condenses with specific RNA sequences in the first 1000 nts (5’-End) under physiological conditions and is enhanced at human upper airway temperatures. N-protein condensates exclude non-packaged RNA sequences. We comprehensively map sites bound by N-protein in the 5’-End and find preferences for single-stranded RNA flanked by stable structured elements. Liquid-like N-protein condensates form in mammalian cells in a concentration-dependent manner and can be altered by small molecules. Condensation of N-protein is sequence and structure specific, sensitive to human body temperature, and manipulatable with small molecules thus presenting screenable processes for identifying antiviral compounds effective against SARS-CoV-2.

Drug discovery campaigns against Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) are beginning to target the viral RNA genome 1, 2 . The frameshift stimulation element (FSE) of the SARS-CoV-2 genome is required for balanced expression of essential viral proteins and is highly conserved, making it a potential candidate for antiviral targeting by small molecules and oligonucleotides 3-6 . To aid global efforts focusing on SARS-CoV-2 frameshifting, we report exploratory results from frameshifting and cellular replication experiments with locked nucleic acid (LNA) antisense oligonucleotides (ASOs), which support the FSE as a therapeutic target but highlight difficulties in achieving strong inactivation. To understand current limitations, we applied cryogenic electron microscopy (cryo-EM) and the Ribosolve 7 pipeline to determine a three-dimensional structure of the SARS-CoV-2 FSE, validated through an RNA nanostructure tagging method. This is the smallest macromolecule (88 nt; 28 kDa) resolved by single-particle cryo-EM at subnanometer resolution to date. The tertiary structure model, defined to an estimated accuracy of 5.9 Å, presents a topologically complex fold in which the 5' end threads through a ring formed inside a three-stem pseudoknot. Our results suggest an updated model for SARS-CoV-2 frameshifting as well as binding sites that may be targeted by next generation ASOs and small molecules.

SUMMARY Although humoral immunity is essential for control of SARS-CoV-2, the molecular composition, binding epitopes and effector functions of the immunoglobulin G (IgG) antibodies that circulate in blood plasma following infection are unknown. Proteomic deconvolution of the circulating IgG repertoire (Ig-Seq 1 ) to the spike ectodomain (S-ECD 2 ) in four convalescent study subjects revealed that the plasma response is oligoclonal and directed predominantly (>80%) to S-ECD epitopes that lie outside the receptor binding domain (RBD). When comparing antibodies directed to either the RBD, the N-terminal domain (NTD) or the S2 subunit (S2) in one subject, just four IgG lineages (1 anti-S2, 2 anti-NTD and 1 anti-RBD) accounted for 93.5% of the repertoire. Although the anti-RBD and one of the anti-NTD antibodies were equally potently neutralizing in vitro , we nonetheless found that the anti-NTD antibody was sufficient for protection to lethal viral challenge, either alone or in combination as a cocktail where it dominated the effect of the other plasma antibodies. We identified in vivo protective plasma anti-NTD antibodies in 3/4 subjects analyzed and discovered a shared class of antibodies targeting the NTD that utilize unmutated or near-germline IGHV1-24, the most electronegative IGHV gene in the human genome. Structural analysis revealed that binding to NTD is dominated by interactions with the heavy chain, accounting for 89% of the entire interfacial area, with germline residues uniquely encoded by IGHV1-24 contributing 20% (149 Å 2 ). Together with recent reports of germline IGHV1-24 antibodies isolated by B-cell cloning 3,4 our data reveal a class of shared IgG antibodies that are readily observed in convalescent plasma and underscore the role of NTD-directed antibodies in protection against SARS-CoV-2 infection.

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.

There is an urgent need for the ability to rapidly develop effective countermeasures for emerging biological threats, such as the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) that causes the ongoing coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic. We have developed a generalized computational design strategy to rapidly engineer de novo proteins that precisely recapitulate the protein surface targeted by biological agents, like viruses, to gain entry into cells. The designed proteins act as decoys that block cellular entry and aim to be resilient to viral mutational escape. Using our novel platform, in less than ten weeks, we engineered, validated, and optimized de novo protein decoys of human angiotensin-converting enzyme 2 (hACE2), the membrane-associated protein that SARS-CoV-2 exploits to infect cells. Our optimized designs are hyperstable de novo proteins (∼18-37 kDa), have high affinity for the SARS-CoV-2 receptor binding domain (RBD) and can potently inhibit the virus infection and replication in vitro. Future refinements to our strategy can enable the rapid development of other therapeutic de novo protein decoys, not limited to neutralizing viruses, but to combat any agent that explicitly interacts with cell surface proteins to cause disease.

SUMMARY The Coronavirus Disease 2019 pandemic has made deployment of an effective vaccine a global health priority. We evaluated the protective activity of a chimpanzee adenovirus-vectored vaccine encoding a pre-fusion stabilized spike protein (ChAd-SARS-CoV-2-S) in challenge studies with Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and mice expressing the human angiotensin-converting enzyme 2 receptor. Intramuscular dosing of ChAd-SARS-CoV-2-S induces robust systemic humoral and cell-mediated immune responses and protects against lung infection, inflammation, and pathology but does not confer sterilizing immunity, as evidenced by detection of viral RNA and induction of anti-nucleoprotein antibodies after SARS-CoV-2 challenge. In contrast, a single intranasal dose of ChAd-SARS-CoV-2-S induces high levels of systemic and mucosal IgA and T cell responses, completely prevents SARS-CoV-2 infection in the upper and lower respiratory tracts, and likely confers sterilizing immunity in most animals. Intranasal administration of ChAd-SARS-CoV-2-S is a candidate for preventing SARS-CoV-2 infection and transmission, and curtailing pandemic spread.

The ongoing COVID-19 pandemic has caused millions of deaths and the continued emergence of new variants suggests continued circulation in the human population. In the current time of vaccine availability and new therapeutic development, including antibody-based therapies, many questions about long-term immunity and protection remain uncertain. Identification of protective antibodies in individuals is often done using highly specialized and challenging assays such as functional neutralizing assays, which are not available in the clinical setting. Therefore, there is a great need for the development of rapid, clinically available assays that correlate with neutralizing antibody assays to identify individuals who may benefit from additional vaccination or specific COVID-19 therapies. In this report, we apply a novel semi-quantitative method to an established lateral flow assay (sqLFA) and analyze its ability to detect the presence functional neutralizing antibodies from the serum of COVID-19 recovered individuals. We found that the sqLFA has a strong positive correlation with neutralizing antibody levels. At lower assay cutoffs, the sqLFA is a highly sensitive assay to identify the presence of a range of neutralizing antibody levels. At higher cutoffs, it can detect higher levels of neutralizing antibody with high specificity. This sqLFA can be used both as a screening tool to identify individuals with any level of neutralizing antibody to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), or as a more specific tool to identify those with high neutralizing antibody levels who may not benefit from antibody-based therapies or further vaccination.

Abstract Coronaviruses are prone to emergence into new host species most recently evidenced by SARS-CoV-2, the causative agent of the COVID-19 pandemic. Small animal models that recapitulate SARS-CoV-2 disease are desperately needed to rapidly evaluate medical countermeasures (MCMs). SARS-CoV-2 cannot infect wildtype laboratory mice due to inefficient interactions between the viral spike (S) protein and the murine ortholog of the human receptor, ACE2. We used reverse genetics to remodel the S and mACE2 binding interface resulting in a recombinant virus (SARS-CoV-2 MA) that could utilize mACE2 for entry. SARS-CoV-2 MA replicated in both the upper and lower airways of both young adult and aged BALB/c mice. Importantly, disease was more severe in aged mice, and showed more clinically relevant phenotypes than those seen in hACE2 transgenic mice. We then demonstrated the utility of this model through vaccine challenge studies in immune competent mice with native expression of mACE2. Lastly, we show that clinical candidate interferon (IFN) lambda-1a can potently inhibit SARS-CoV-2 replication in primary human airway epithelial cells in vitro , and both prophylactic and therapeutic administration diminished replication in mice. Our mouse-adapted SARS-CoV-2 model demonstrates age-related disease pathogenesis and supports the clinical use of IFN lambda-1a treatment in human COVID-19 infections.