Abstract Antimicrobial resistance (AMR) is a serious threat to global public health, but obtaining representative data on AMR for healthy human populations is difficult. Here, we use metagenomic analysis of untreated sewage to characterize the bacterial resistome from 79 sites in 60 countries. We find systematic differences in abundance and diversity of AMR genes between Europe/North-America/Oceania and Africa/Asia/South-America. Antimicrobial use data and bacterial taxonomy only explains a minor part of the AMR variation that we observe. We find no evidence for cross-selection between antimicrobial classes, or for effect of air travel between sites. However, AMR gene abundance strongly correlates with socio-economic, health and environmental factors, which we use to predict AMR gene abundances in all countries in the world. Our findings suggest that global AMR gene diversity and abundance vary by region, and that improving sanitation and health could potentially limit the global burden of AMR. We propose metagenomic analysis of sewage as an ethically acceptable and economically feasible approach for continuous global surveillance and prediction of AMR.

Vaccines are urgently needed to control the ongoing pandemic COVID-19 and previously emerging MERS/SARS caused by coronavirus (CoV) infections. The CoV spike receptor-binding domain (RBD) is an attractive vaccine target but is undermined by limited immunogenicity. We describe a dimeric form of MERS-CoV RBD that overcomes this limitation. The RBD-dimer significantly increased neutralizing antibody (NAb) titers compared to conventional monomeric form and protected mice against MERS-CoV infection. Crystal structure showed RBD-dimer fully exposed dual receptor-binding motifs, the major target for NAbs. Structure-guided design further yielded a stable version of RBD-dimer as a tandem repeat single-chain (RBD-sc-dimer) which retained the vaccine potency. We generalized this strategy to design vaccines against COVID-19 and SARS, achieving 10- to 100-fold enhancement of NAb titers. RBD-sc-dimers in pilot scale production yielded high yields, supporting their scalability for further clinical development. The framework of immunogen design can be universally applied to other beta-CoV vaccines to counter emerging threats.

Coronavirus disease 2019 (COVID-19) is caused by SARS-CoV-2 infection and was first reported in central China in December 2019. Extensive molecular surveillance in Guangdong, China's most populous province, during early 2020 resulted in 1,388 reported RNA-positive cases from 1.6 million tests. In order to understand the molecular epidemiology and genetic diversity of SARS-CoV-2 in China, we generated 53 genomes from infected individuals in Guangdong using a combination of metagenomic sequencing and tiling amplicon approaches. Combined epidemiological and phylogenetic analyses indicate multiple independent introductions to Guangdong, although phylogenetic clustering is uncertain because of low virus genetic variation early in the pandemic. Our results illustrate how the timing, size, and duration of putative local transmission chains were constrained by national travel restrictions and by the province's large-scale intensive surveillance and intervention measures. Despite these successes, COVID-19 surveillance in Guangdong is still required, because the number of cases imported from other countries has increased.

Abstract Two notable features have been identified in the SARS-CoV-2 genome: (1) the receptor binding domain of SARS-CoV-2; (2) a unique insertion of twelve nucleotide or four amino acids (PRRA) at the S1 and S2 boundary. For the first feature, the similar RBD identified in SARs-like virus from pangolin suggests the RBD in SARS-CoV-2 may already exist in animal host(s) before it transmitted into human. The left puzzle is the history and function of the insertion at S1/S2 boundary, which is uniquely identified in SARS-CoV-2. In this study, we identified two variants from the first Guangdong SARS-CoV-2 cell strain, with deletion mutations on polybasic cleavage site (PRRAR) and its flank sites. More extensive screening indicates the deletion at the flank sites of PRRAR could be detected in 3 of 68 clinical samples and half of 22 in vitro isolated viral strains. These data indicate (1) the deletion of QTQTN, at the flank of polybasic cleavage site, is likely benefit the SARS-CoV-2 replication or infection in vitro but under strong purification selection in vivo since it is rarely identified in clinical samples; (2) there could be a very efficient mechanism for deleting this region from viral genome as the variants losing 23585-23599 is commonly detected after two rounds of cell passage. The mechanistic explanation for this in vitro adaptation and in vivo purification processes (or reverse) that led to such genomic changes in SARS-CoV-2 requires further work. Nonetheless, this study has provided valuable clues to aid further investigation of spike protein function and virus evolution. The deletion mutation identified in vitro isolation should be also noted for current vaccine development.

Abstract A safe, efficacious and deployable vaccine is urgently needed to control COVID-19 pandemic. We report here the preclinical development of a COVID-19 vaccine candidate, ZF2001, which contains tandem-repeat dimeric receptor-binding domain (RBD) protein with alum-based adjuvant. We assessed vaccine immunogenicity and efficacy in both mice and non-human primates (NHPs). ZF2001 induced high levels of RBD-binding and SARS-CoV-2 neutralizing antibody in both mice and NHPs, and also elicited balanced T H 1/T H 2 cellular responses in NHPs. Two doses of ZF2001 protected Ad-hACE2-transduced mice against SARS-CoV-2 infection, as detected by reduced viral RNA and relieved lung injuries. In NHPs, vaccination of either 25 μg or 50 μg ZF2001 prevented infection with SARS-CoV-2 in lung, trachea and bronchi, with milder lung lesions. No evidence of disease enhancement is observed in both models. ZF2001 is being evaluated in the ongoing international multi-center Phase 3 trials ( NCT04646590 ) and has been approved for emergency use in Uzbekistan.

ABSTRACT The coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) becomes a tremendous threat to global health. Although vaccines against the virus are under development, the antigen epitopes on the virus and their immunogenicity are poorly understood. Here, we simulated the three-dimensional structures of SARS-CoV-2 proteins with high performance computer, predicted the B cell epitopes on spike (S), envelope (E), membrane (M), and nucleocapsid (N) proteins of SARS-CoV-2 using structure-based approaches, and then validated the epitope immunogenicity by immunizing mice. Almost all 33 predicted epitopes effectively induced antibody production, six of which were immunodominant epitopes in patients identified via the binding of epitopes with the sera from domestic and imported COVID-19 patients, and 23 were conserved within SARS-CoV-2, SARS-CoV and bat coronavirus RaTG13. We also found that the immunodominant epitopes of domestic SARS-CoV-2 were different from that of the imported, which may be caused by the mutations on S (G614D) and N proteins. Importantly, we validated that eight epitopes on S protein elicited neutralizing antibodies that blocked the cell entry of both D614 and G614 pseudo-virus of SARS-CoV-2, three and nine epitopes induced D614 or G614 neutralizing antibodies, respectively. Our present study shed light on the immunodominance, neutralization, and conserved epitopes on SARS-CoV-2 which are potently used for the diagnosis, virus classification and the vaccine design tackling inefficiency, virus mutation and different species of coronaviruses.

Summary The COVID-19 pandemic and the SARS-CoV-2 with its variants have posed unprecedented challenges worldwide. Existing vaccines have limited effectiveness against the SARS-CoV-2 variants. Therefore, novel vaccines to match current mutated viral lineages with long-term protective immunity are urgently in demand. In the current study, we for the first time designed a recombinant Adeno-Associated Virus 5 (rAAV5)-based vaccine named as rAAV-COVID-19 vaccine (Covacinplus) by using RBD-plus of spike protein with both the single-stranded and the self-complementary AAV5 delivering vectors (ssAAV5 and scAAAV5), which provides excellent protection from SARS-CoV-2 infection. A single dose vaccination induced the strong immune response against SARS-CoV-2. The induced neutralizing antibodies (NAs) titers were maintained at a high peak level of over 1:1024 even after more than one year of injection and accompanied with functional T-cells responses in mice. Importantly, both ssAAV- and scAAV-based RBD-plus vaccines exhibited high levels of serum NAs against current circulating variants including variants Alpha, Beta, Gamma and Delta. SARS-CoV-2 virus challenge test showed that ssAAV5-RBD-plus vaccine protected both young and old age mice from SARS-CoV-2 infection in the upper and the lower respiratory tracts. Moreover, whole genome sequencing demonstrated that AAV vector DNA sequences were not found in the genome of the vaccinated mice after one year vaccination, demonstrating excellent safety of the vaccine. Taken together, this study suggests that rAAV5-based vaccine is powerful against SARS-CoV-2 and its variants with long-term protective immunity and excellent safety, which has great potential for development into prophylactic vaccination in human to end this global pandemic.

Abstract The ongoing of coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic caused by novel SARS-CoV-2 coronavirus, resulting in economic losses and seriously threating the human health in worldwide, highlighting the urgent need of a stabilized, easily produced and effective preventive vaccine. The SARS-COV-2 spike protein receptor binding region (RBD) plays an important role in the process of viral binding receptor angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) and membrane fusion, making it an ideal target for vaccine development. In this study, we designed three different RBD-conjugated nanoparticles vaccine candidates, RBD-Ferritin (24-mer), RBD-mi3 (60-mer) and RBD-I53-50 (120-mer), with the application of covalent bond linking by SpyTag-SpyCatcher system. It was demonstrated that the neutralizing capability of sera from mice immunized with three RBD-conjugated nanoparticles adjuvanted with AddaVax or Sigma Systerm Adjuvant (SAS) after each immunization was ~8-to 120-fold greater than monomeric RBD group in SARS-CoV-2 pseudovirus and authentic virus neutralization assay. Most importantly, sera from RBD-conjugated NPs groups more efficiently blocked the binding of RBD to ACE2 or neutralizing antibody in vitro, a further proof of promising immunization effect. Besides, high physical stability and flexibility in assembly consolidated the benefit for rapid scale-up production of vaccine. These results supported that our designed SARS-CoV-2 RBD-conjugated nanoparticle was competitive vaccine candidate and the carrier nanoparticles could be adopted as universal platform for future vaccine development.

ABSTRACT Chikungunya virus (CHIKV), a mosquito-borne Alphavirus , is the etiological agent of chikungunya fever. To investigate the prevalence and genetic characteristics of CHIKV in China, we performed a molecular epidemiological study during the 2014–2019 period. Phylogenetic analysis of CHIKV in the 2014-2019 shows that it is currently clustered geographically, which means that CHIKV’s local adaptability is gradually strengthening. Focusing on CHIKV adaptive mutation E1-A226V is not obvious in our study. The CHIKV E1 amino acid non-synonymous mutation results revealed the common mutation site M343I. Most mutation sites belong to the American epidemic strains, and the mutation rate is 2.8%. In 31 sequences, 19 non-synonymous mutations were found in CHIKV E1 (total mutation rate 20/499 = 4%), and 37 non-synonymous mutations in CHIKV E2 (total mutation rate 30/425 = 7%). It is worth noting that the mutation of CHIKV E2 has changed more than that of CHIKV E1 between 2014 and 2019. CHIKV E2 screened out common mutation sites, and the results showed that there are five common mutation sites, namely S119G, L182M, G206D, S300N, and A345T. Eighty-three percent of the CHIKV E2 receptor binding domain mutations in the American strains, namely T3I and N6H, may cause immune escape. We constructed a new luciferase immunosorbent assay using CHIKV E2 antigen and mutant E2 antigen to test the serum of the CHIKV infected patients, and the detected samples and dilution ratios were different. The T3I, N6H, S119G, L182M, G206D, S300N, and A345T mutations in CHIKV E2 could explain these differences between patients. IMPORTANCE CHIKV originated in Africa more than 500 years ago, with a common lineage dividing into two distinct branches called West Africa (West African, WA) and East/Central/South Africa (East/Central/South African, ECSA). Moreover, the E1-A226V mutation enhanced the replication and transmission capacity of CHIKV in Aedes albopictus . However, it should be noted that E1-A226V does not explain the CHIKV epidemic that has occurred in the Americas in recent years. We analyzed CHIKV samples in the 2014-2019, and the results showed that the mutation of CHIKV E1 protein occurred was not mainly concentrated in E1-A226V, but concentrated in M343I. This also means that CHIKV constantly mutates in the natural environment and is formed under natural conditions. Analysis of the common mutation sites of CHIKV E2 showed that there were seven common mutation sites S119G/L182M/ G206D /S300N/A345T, and the new mutation of CHIKV E2 may affect serological antibody detection.