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.

Abstract Background Representing biological networks as graphs is a powerful approach to reveal underlying patterns, signatures, and critical components from high-throughput biomolecular data. However, graphs do not natively capture the multi-way relationships present among genes and proteins in biological systems. Hypergraphs are generalizations of graphs that naturally model multi-way relationships and have shown promise in modeling systems such as protein complexes and metabolic reactions. In this paper we seek to understand how hypergraphs can more faithfully identify, and potentially predict, important genes based on complex relationships inferred from genomic expression data sets. Results We compiled a novel data set of transcriptional host response to pathogenic viral infections and formulated relationships between genes as a hypergraph where hyperedges represent significantly perturbed genes, and vertices represent individual biological samples with specific experimental conditions. We find that hypergraph betweenness centrality is a superior method for identification of genes important to viral response when compared with graph centrality. Conclusions Our results demonstrate the utility of using hypergraphs to represent complex biological systems and highlight central important responses in common to a variety of highly pathogenic viruses.

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.

Understanding the ability of SARS-CoV-2 vaccine-elicited antibodies to neutralize and protect against emerging variants of concern and other sarbecoviruses is key for guiding vaccine development decisions and public health policies. We show that a clinical stage multivalent SARS-CoV-2 receptor-binding domain nanoparticle vaccine (SARS-CoV-2 RBD-NP) protects mice from SARS-CoV-2-induced disease after a single shot, indicating that the vaccine could allow dose-sparing. SARS-CoV-2 RBD-NP elicits high antibody titers in two non-human primate (NHP) models against multiple distinct RBD antigenic sites known to be recognized by neutralizing antibodies. We benchmarked NHP serum neutralizing activity elicited by RBD-NP against a lead prefusion-stabilized SARS-CoV-2 spike immunogen using a panel of single-residue spike mutants detected in clinical isolates as well as the B.1.1.7 and B.1.351 variants of concern. Polyclonal antibodies elicited by both vaccines are resilient to most RBD mutations tested, but the E484K substitution has similar negative consequences for neutralization, and exhibit modest but comparable neutralization breadth against distantly related sarbecoviruses. We demonstrate that mosaic and cocktail sarbecovirus RBD-NPs elicit broad sarbecovirus neutralizing activity, including against the SARS-CoV-2 B.1.351 variant, and protect mice against severe SARS-CoV challenge even in the absence of the SARS-CoV RBD in the vaccine. This study provides proof of principle that sarbecovirus RBD-NPs induce heterotypic protection and enables advancement of broadly protective sarbecovirus vaccines to the clinic.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) emerged in 2019 as the causative agent of the novel pandemic viral disease COVID-19. With no approved therapies, this pandemic illustrates the urgent need for safe, broad-spectrum antiviral countermeasures against SARS-CoV-2 and future emerging CoVs. We report that remdesivir (RDV), a monophosphoramidate prodrug of an adenosine analog, potently inhibits SARS-CoV-2 replication in human lung cells and primary human airway epithelial cultures (EC 50 = 0.01 μM). Weaker activity was observed in Vero E6 cells (EC 50 = 1.65 μM) due to 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 chimeric virus, therapeutic RDV administration diminished lung viral load and improved pulmonary function as compared to vehicle treated animals. These data provide evidence that RDV is potently active against SARS-CoV-2 in vitro and in vivo , supporting its further clinical testing for treatment of COVID-19.

The COVID-19 pandemic remains uncontrolled despite the rapid rollout of safe and effective SARS-CoV-2 vaccines, underscoring the need to develop highly effective antivirals. In the setting of waning immunity from infection and vaccination, breakthrough infections are becoming increasingly common and treatment options remain limited. Additionally, the emergence of SARS-CoV-2 variants of concern with their potential to escape therapeutic monoclonal antibodies emphasizes the need to develop second-generation oral antivirals targeting highly conserved viral proteins that can be rapidly deployed to outpatients. Here, we demonstrate the in vitro antiviral activity and in vivo therapeutic efficacy of GS-621763, an orally bioavailable prodrug of GS-441524, the parental nucleoside of remdesivir, which targets the highly conserved RNA-dependent RNA polymerase. GS-621763 exhibited significant antiviral activity in lung cell lines and two different human primary lung cell culture systems. The dose-proportional pharmacokinetic profile observed after oral administration of GS-621763 translated to dose-dependent antiviral activity in mice infected with SARS-CoV-2. Therapeutic GS-621763 significantly reduced viral load, lung pathology, and improved pulmonary function in COVID-19 mouse model. A direct comparison of GS-621763 with molnupiravir, an oral nucleoside analog antiviral currently in human clinical trial, proved both drugs to be similarly efficacious. These data demonstrate that therapy with oral prodrugs of remdesivir can significantly improve outcomes in SARS-CoV-2 infected mice. Thus, GS-621763 supports the exploration of GS-441524 oral prodrugs for the treatment of COVID-19 in humans.

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.

Improving the standard of clinical care for individuals infected with SARS-CoV-2 variants is a global health priority. Small molecule antivirals like remdesivir (RDV) and biologics such as human monoclonal antibodies (mAb) have demonstrated therapeutic efficacy against SARS-CoV-2, the causative agent of COVID-19. However, it is not known if combination RDV/mAb will improve outcomes over single agent therapies or whether antibody therapies will remain efficacious against variants. In kinetic studies in a mouse-adapted model of ancestral SARS-CoV-2 pathogenesis, we show that a combination of two mAbs in clinical trials, C144 and C135, have potent antiviral effects against even when initiated 48 hours after infection. The same antibody combination was also effective in prevention and therapy against the B.1.351 variant of concern (VOC). Combining RDV and antibodies provided a modest improvement in outcomes compared to single agents. These data support the continued use of RDV to treat SARS-CoV-2 infections and support the continued clinical development of the C144 and C135 antibody combination to treat patients infected with SARS-CoV-2 variants.

Abstract The nucleoside analog remdesivir (RDV) is an FDA-approved antiviral for the treatment of SARS- CoV-2 infections, and as such it is critical to understand potential genetic determinants and barriers to RDV resistance. In this study, SARS-CoV-2 was subjected to 13 passages in cell culture with increasing concentrations of GS-441524, the parent nucleoside of RDV. At passage 13 the RDV resistance of the lineages ranged from 2.7-to 10.4-fold increase in EC 50 . Sequence analysis of the three lineage populations identified non-synonymous mutations in the nonstructural protein 12 RNA-dependent RNA polymerase (nsp12-RdRp): V166A, N198S, S759A, V792I and C799F/R. Two of the three lineages encoded the S759A substitution at the RdRp Ser 759 -Asp-Asp active motif. In one lineage, the V792I substitution emerged first then combined with S759A. Introduction of the S759A and V792I substitutions at homologous nsp12 positions in viable isogenic clones of the betacoronavirus murine hepatitis virus (MHV) demonstrated their transferability across CoVs, up to 38-fold RDV resistance in combination, and a significant replication defect associated with their introduction. Biochemical analysis of SARS-CoV-2 RdRp encoding S759A demonstrated a ∼10- fold decreased preference for RDV-triphosphate (RDV-TP) as a substrate, while nsp12-V792I diminished the UTP concentration needed to overcome the template-dependent inhibition associated with RDV. The in vitro selected substitutions here identified were rare or not detected in the >6 million publicly available nsp12-RdRp consensus sequences in the absence of RDV selection. The results define genetic and biochemical pathways to RDV resistance and emphasize the need for additional studies to define the potential for emergence of these or other RDV resistance mutations in various clinical settings. One Sentence Summary SARS-CoV-2 develops in vitro resistance to remdesivir by distinct and complementary mutations and mechanisms in the viral polymerase

Abstract Background & Aims Human genetic variation is thought to guide the outcome of hepatitis C virus (HCV) infection but model systems within which to dissect these host genetic mechanisms are limited. Norway rat hepacivirus (NrHV), closely related to HCV, causes chronic liver infection in rats but causes acute self-limiting hepatitis in typical strains of laboratory mice, which resolves in two weeks. The Collaborative Cross (CC) is a robust mouse genetics resource comprised of a panel of recombinant inbred strains, which model the complexity of the human genome and provide a system within which to understand diseases driven by complex allelic variation. Approach & Results We infected a panel of CC strains with NrHV and identified several that failed to clear virus after 4 weeks. Strains displayed an array of virologic phenotypes ranging from delayed clearance (CC046) to chronicity (CC071, CC080) with viremia for at least 10 months. Body weight loss, hepatocyte infection frequency, viral evolution, T-cell recruitment to the liver, liver inflammation and the capacity to develop liver fibrosis varied among infected CC strains. Conclusions These models recapitulate many aspects of HCV infection in humans and demonstrate that host genetic variation affects a multitude of virus and host phenotypes. These models can be used to better understand the molecular mechanisms that drive hepacivirus clearance and chronicity, the virus and host interactions that promote chronic disease manifestations like liver fibrosis, therapeutic and vaccine performance, and how these factors are affected by host genetic variation.