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.

The COVID-19 pandemic is a major threat to global health for which there are only limited medical countermeasures, and we lack a thorough understanding of mechanisms of humoral immunity 1,2 . From a panel of monoclonal antibodies (mAbs) targeting the spike (S) glycoprotein isolated from the B cells of infected subjects, we identified several mAbs that exhibited potent neutralizing activity with IC 50 values as low as 0.9 or 15 ng/mL in pseudovirus or wild-type ( wt ) SARS-CoV-2 neutralization tests, respectively. The most potent mAbs fully block the receptor-binding domain of S (S RBD ) from interacting with human ACE2. Competition-binding, structural, and functional studies allowed clustering of the mAbs into defined classes recognizing distinct epitopes within major antigenic sites on the S RBD . Electron microscopy studies revealed that these mAbs recognize distinct conformational states of trimeric S protein. Potent neutralizing mAbs recognizing unique sites, COV2-2196 and COV2-2130, bound simultaneously to S and synergistically neutralized authentic SARS-CoV-2 virus. In two murine models of SARS-CoV-2 infection, passive transfer of either COV2-2916 or COV2-2130 alone or a combination of both mAbs protected mice from severe weight loss and reduced viral burden and inflammation in the lung. These results identify protective epitopes on the S RBD and provide a structure-based framework for rational vaccine design and the selection of robust immunotherapeutic cocktails.

Pan-betacoronavirus neutralizing antibodies may hold the key to developing broadly protective vaccines against coronaviruses that cause severe disease, for anticipating novel pandemic-causing viruses, and to respond more effectively to SARS-CoV-2 variants. The emergence of the Omicron variant of SARS-CoV-2 has illustrated the limitations of solely targeting the receptor binding domain (RBD) of the envelope Spike (S)-protein. Here, we isolated a large panel of broadly neutralizing antibodies (bnAbs) from SARS-CoV-2 recovered-vaccinated donors that target a conserved S2 region in the fusion machinery on betacoronavirus spikes. Select bnAbs show broad in vivo protection against all three pathogenic betacoronaviruses, SARS-CoV-1, SARS-CoV-2 and MERS-CoV, that have spilled over into humans in the past 20 years to cause severe disease. The bnAbs provide new opportunities for antibody-based interventions and key insights for developing pan-betacoronavirus vaccines.

Abstract Using incipient lines of the Collaborative Cross (CC), a murine genetic reference population, we previously identified a quantitative trait loci (QTL) associated with low SARS-CoV titer. In this study, we integrated sequence information and RNA expression of genes within the QTL to identify mucin 4 ( Muc4 ) as a high priority candidate for controlling SARS-CoV titer in the lung. To test this hypothesis, we infected Muc4 -/- mice and found that female, but not male, Muc4 -/- mice developed more weight loss and disease following infection with SARS-CoV. Female Muc4 -/- mice also had more difficulty breathing despite reduced lung pathology; however, no change in viral titers was observed. Comparing across viral families, studies with chikungunya virus, a mosquito-borne arthralgic virus, suggests that Muc4’s impact on viral pathogenesis may be widespread. Although not confirming the original titer QTL, our data identifies a role for Muc4 in the SARS-CoV disease and viral pathogenesis. Importance Given the recent emergence of SARS-CoV-2, this work suggest that Muc4 expression plays a protective role in female mice not conserved in male mice following SARS-CoV infection. With the SARS-CoV-2 outbreak continuing, treatments that modulate or enhance Muc4 activity may provide an avenue for treatment and improved outcomes. In addition, the work highlights the importance of studying host factors including host genetics and biological sex as key parameters influencing infection and disease outcomes.

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.

The recurrent zoonotic spillover of coronaviruses (CoVs) into the human population underscores the need for broadly active countermeasures. Here, we employed a directed evolution approach to engineer three SARS-CoV-2 antibodies for enhanced neutralization breadth and potency. One of the affinity-matured variants, ADG-2, displays strong binding activity to a large panel of sarbecovirus receptor binding domains (RBDs) and neutralizes representative epidemic sarbecoviruses with remarkable potency. Structural and biochemical studies demonstrate that ADG-2 employs a unique angle of approach to recognize a highly conserved epitope overlapping the receptor binding site. In murine models of SARS-CoV and SARS-CoV-2 infection, passive transfer of ADG-2 provided complete protection against respiratory burden, viral replication in the lungs, and lung pathology. Altogether, ADG-2 represents a promising broad-spectrum therapeutic candidate for the treatment and prevention of SARS-CoV-2 and future emerging SARS-like CoVs.

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.

The emergence of current SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs) and potential future spillovers of SARS-like coronaviruses into humans pose a major threat to human health and the global economy 1-7 . Development of broadly effective coronavirus vaccines that can mitigate these threats is needed 8, 9 . Notably, several recent studies have revealed that vaccination of recovered COVID-19 donors results in enhanced nAb responses compared to SARS-CoV-2 infection or vaccination alone 10-13 . Here, we utilized a targeted donor selection strategy to isolate a large panel of broadly neutralizing antibodies (bnAbs) to sarbecoviruses from two such donors. Many of the bnAbs are remarkably effective in neutralization against sarbecoviruses that use ACE2 for viral entry and a substantial fraction also show notable binding to non-ACE2-using sarbecoviruses. The bnAbs are equally effective against most SARS-CoV-2 VOCs and many neutralize the Omicron variant. Neutralization breadth is achieved by bnAb binding to epitopes on a relatively conserved face of the receptor binding domain (RBD) as opposed to strain-specific nAbs to the receptor binding site that are commonly elicited in SARS-CoV-2 infection and vaccination 14-18 . Consistent with targeting of conserved sites, select RBD bnAbs exhibited in vivo protective efficacy against diverse SARS-like coronaviruses in a prophylaxis challenge model. The generation of a large panel of potent bnAbs provides new opportunities and choices for next-generation antibody prophylactic and therapeutic applications and, importantly, provides a molecular basis for effective design of pan-sarbecovirus vaccines.

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.

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.