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.

Antibodies perform both neutralizing and non-neutralizing effector functions that protect against certain pathogen-induced diseases. A human antibody directed at the SARS-CoV-2 Spike N-terminal domain (NTD), DH1052, was recently shown to be non-neutralizing, yet it protected mice and cynomolgus macaques from severe disease. The mechanisms of NTD non-neutralizing antibody-mediated protection are unknown. Here we show that Fc effector functions mediate NTD non-neutralizing antibody (non-nAb) protection against SARS-CoV-2 MA10 viral challenge in mice. Though non-nAb prophylactic infusion did not suppress infectious viral titers in the lung as potently as neutralizing antibody (nAb) infusion, disease markers including gross lung discoloration were similar in nAb and non-nAb groups. Fc functional knockout substitutions abolished non-nAb protection and increased viral titers in the nAb group. Fc enhancement increased non-nAb protection relative to WT, supporting a positive association between Fc functionality and degree of protection from SARS-CoV-2 infection. For therapeutic administration of antibodies, non-nAb effector functions contributed to virus suppression and lessening of lung discoloration, but the presence of neutralization was required for optimal protection from disease. This study demonstrates that non-nAbs can utilize Fc-mediated mechanisms to lower viral load and prevent lung damage due to coronavirus infection.

Two group 2B β-coronaviruses (sarbecoviruses) have caused regional and global epidemics in modern history. The mechanisms of cross protection driven by the sarbecovirus spike, a dominant immunogen, are less clear yet critically important for pan-sarbecovirus vaccine development. We evaluated the mechanisms of cross-sarbecovirus protective immunity using a panel of alphavirus-vectored vaccines covering bat to human strains. While vaccination did not prevent virus replication, it protected against lethal heterologous disease outcomes in both SARS-CoV-2 and clade 2 bat sarbecovirus HKU3-SRBD challenge models. The spike vaccines tested primarily elicited a highly S1-specific homologous neutralizing antibody response with no detectable cross-virus neutralization. We found non-neutralizing antibody functions that mediated cross protection in wild-type mice were mechanistically linked to FcgR4 and spike S2-binding antibodies. Protection was lost in FcR knockout mice, further supporting a model for non-neutralizing, protective antibodies. These data highlight the importance of FcR-mediated cross-protective immune responses in universal pan-sarbecovirus vaccine designs.

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 Maturation of Dengue viruses (DENV) alters the structure, immunity and infectivity of the virion and highly mature particles represent the dominant form in vivo . The production of highly mature virions principally relies on the structure and function of the viral premature protein (prM) and its cleavage by the host protease furin. We developed a reliable clonal cell line which produces single-round mature DENVs without the need for DENV reverse genetics. More importantly, using protein engineering coupled with natural and directed evolution of the prM cleavage site, we engineered genetically stable mature DENVs without comprising viral yield and independent of cell, host, or passage. Using these complementary strategies to regulate maturation, we demonstrate that the resulting mature DENVs are antigenically distinct from their isogenic immature forms. Given the clinical importance of mature DENVs in immunity, our strategy provides a reliable strategy for the production of stable, high-titer mature candidate DENV live virus vaccines, genetically stabilized viruses for DENV maturation and immunity studies, and models for maturation-regulated experimental evolution in mammalian and invertebrate cells. Our data from directed-evolution across host species reveals distinct maturation-dependent selective pressures between mammalian and insect cells, which sheds light on the divergent evolutionary relationship of DENVs between its host and vector.

Abstract With the advance of SARS-CoV-2 vaccines, the outlook for overcoming the global COVID-19 pandemic has improved. However, understanding of immunity and protection offered by the SARS-CoV-2 vaccines against circulating variants of concern (VOC) is rapidly evolving. We investigated the mRNA vaccine-induced antibody responses against the referent WIV04 (Wuhan) strain, circulating variants, and human endemic coronaviruses in 168 naïve and previously infected people at three-time points. Samples were collected prior to vaccination, after the first and after the second doses of one of the two available mRNA-based vaccines. After full vaccination, both naïve and previously infected participants developed comparable robust SARS-CoV-2 specific spike IgG levels, modest IgM and IgA binding antibodies, and varying degrees of HCoV cross-reactive antibodies. However, the strength and frequency of neutralizing antibodies produced in naïve people were significantly lower than in the previously infected group. We also found that 1/3 rd of previously infected people had undetectable neutralizing antibodies after the first vaccine dose; 40% of this group developed neutralizing antibodies after the second dose. In all subjects neutralizing antibodies produced against the B.1.351 and P.1 variants were weaker than those produced against the reference and B.1.1.7 strains. Our findings provide support for future booster vaccinations modified to be active against the circulating variants.

The application of statistical methods to comparatively framed questions about protein dynamics can potentially enable investigations of biomolecular function beyond the current sequence and structural methods in bioinformatics. However, chaotic behavior in single protein trajectories requires statistical inference be obtained from large ensembles of molecular dynamic (MD) simulations representing the comparative functional states of a given protein. Meaningful interpretation of such a complex form of big data poses serious challenges to users of MD. Here, we announce DROIDS v3.0, a molecular dynamic (MD) method + software package for comparative protein dynamics, incorporating many new features including maxDemon v1.0, a multi-method machine learning application that trains on large ensemble comparisons of concerted protein motions in opposing functional states and deploys learned classifications of these states onto newly generated protein dynamic simulations. Local canonical correlations in learning patterns generated from self-similar MD runs are used to identify regions of functionally conserved protein dynamics. Subsequent impacts of genetic and drug class variants on conserved dynamics can also be analyzed by deploying the classifiers on variant MD runs and quantifying how often these altered protein systems display the opposing functional states. Here, we present several case studies of complex changes in functional protein dynamics caused by temperature, genetic mutation, and binding interaction with nucleic acids and small molecules. We studied the impact of genetic variation on functionally conserved protein dynamics in ubiquitin and TATA binding protein and demonstrate that our learning algorithm can properly identify regions of conserved dynamics. We also report impacts to dynamics that correspond well with predicted disruptive effects of a variety of genetic mutations. In addition, we studied the impact of drug class variation on the ATP binding region of Hsp90, similarly identifying conserved dynamics and impacts that rank accordingly with how closely various Hsp90 inhibitors mimic natural ATP binding.Statement of significance We propose a statistical method as well as offer a user-friendly graphical interfaced software pipeline for comparing simulations of the complex motions (i.e. dynamics) of proteins in different functional states. We also provide both method and software to apply artificial intelligence (i.e. machine learning methods) that enable the computer to recognize complex functional differences in protein dynamics on new simulations and report them to the user. This method can identify dynamics important for protein function, as well as to quantify how the motions of molecular variants differ from these important functional dynamic states. For the first time, this method of analysis allows the impacts of different genetic backgrounds or drug classes to be examined within the context of functional motions of the specific protein system under investigation.

Despite the wide availability of several safe and effective vaccines that can prevent severe COVID-19 disease, the emergence of SARS-CoV-2 variants of concern (VOC) that can partially evade vaccine immunity remains a global health concern. In addition, the emergence of highly mutated and neutralization-resistant SARS-CoV-2 VOCs such as BA.1 and BA.5 that can partially or fully evade (1) many therapeutic monoclonal antibodies in clinical use underlines the need for additional effective treatment strategies. Here, we characterize the antiviral activity of GS-5245, Obeldesivir (ODV), an oral prodrug of the parent nucleoside GS-441524, which targets the highly conserved RNA-dependent viral RNA polymerase (RdRp). Importantly, we show that GS-5245 is broadly potent in vitro against alphacoronavirus HCoV-NL63, severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV), SARS-CoV-related Bat-CoV RsSHC014, Middle East Respiratory Syndrome coronavirus (MERS-CoV), SARS-CoV-2 WA/1, and the highly transmissible SARS-CoV-2 BA.1 Omicron variant in vitro and highly effective as antiviral therapy in mouse models of SARS-CoV, SARS-CoV-2 (WA/1), MERS-CoV and Bat-CoV RsSHC014 pathogenesis. In all these models of divergent coronaviruses, we observed protection and/or significant reduction of disease metrics such as weight loss, lung viral replication, acute lung injury, and degradation in pulmonary function in GS-5245-treated mice compared to vehicle controls. Finally, we demonstrate that GS-5245 in combination with the main protease (Mpro) inhibitor nirmatrelvir had increased efficacy in vivo against SARS-CoV-2 compared to each single agent. Altogether, our data supports the continuing clinical evaluation of GS-5245 in humans infected with COVID-19, including as part of a combination antiviral therapy, especially in populations with the most urgent need for more efficacious and durable interventions.

Antibodies perform both neutralizing and non-neutralizing effector functions that protect against certain pathogen-induced diseases. A human antibody directed at the SARS-CoV-2 Spike N-terminal domain (NTD), DH1052, was recently shown to be non-neutralizing yet it protected mice and cynomolgus macaques from severe disease. The mechanisms of this non-neutralizing antibody-mediated protection are unknown. Here we show that Fc effector functions mediate non-neutralizing antibody (non-nAb) protection against SARS-CoV-2 MA10 viral challenge in mice. Though non-nAb infusion did not suppress infectious viral titers in the lung as potently as NTD neutralizing antibody (nAb) infusion, disease markers including gross lung discoloration were similar in nAb and non-nAb groups. Fc functional knockout substitutions abolished non-nAb protection and increased viral titers in the nAb group. Finally, Fc enhancement increased non-nAb protection relative to WT, supporting a positive association between Fc functionality and degree of protection in SARS-CoV-2 infection. This study demonstrates that non-nAbs can utilize Fc-mediated mechanisms to lower viral load and prevent lung damage due to coronavirus infection.

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.