Memory T cells induced by previous pathogens can shape susceptibility to, and the clinical severity of, subsequent infections1. Little is known about the presence in humans of pre-existing memory T cells that have the potential to recognize severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Here we studied T cell responses against the structural (nucleocapsid (N) protein) and non-structural (NSP7 and NSP13 of ORF1) regions of SARS-CoV-2 in individuals convalescing from coronavirus disease 2019 (COVID-19) (n = 36). In all of these individuals, we found CD4 and CD8 T cells that recognized multiple regions of the N protein. Next, we showed that patients (n = 23) who recovered from SARS (the disease associated with SARS-CoV infection) possess long-lasting memory T cells that are reactive to the N protein of SARS-CoV 17 years after the outbreak of SARS in 2003; these T cells displayed robust cross-reactivity to the N protein of SARS-CoV-2. We also detected SARS-CoV-2-specific T cells in individuals with no history of SARS, COVID-19 or contact with individuals who had SARS and/or COVID-19 (n = 37). SARS-CoV-2-specific T cells in uninfected donors exhibited a different pattern of immunodominance, and frequently targeted NSP7 and NSP13 as well as the N protein. Epitope characterization of NSP7-specific T cells showed the recognition of protein fragments that are conserved among animal betacoronaviruses but have low homology to 'common cold' human-associated coronaviruses. Thus, infection with betacoronaviruses induces multi-specific and long-lasting T cell immunity against the structural N protein. Understanding how pre-existing N- and ORF1-specific T cells that are present in the general population affect the susceptibility to and pathogenesis of SARS-CoV-2 infection is important for the management of the current COVID-19 pandemic. SARS-CoV-2-reactive T cells were found in individuals who had recovered from SARS or COVID-19 and in unexposed donors, although with different patterns of immunoreactivity.

Highly pathogenic avian influenza A/H5N1 virus can cause morbidity and mortality in humans but thus far has not acquired the ability to be transmitted by aerosol or respiratory droplet ("airborne transmission") between humans. To address the concern that the virus could acquire this ability under natural conditions, we genetically modified A/H5N1 virus by site-directed mutagenesis and subsequent serial passage in ferrets. The genetically modified A/H5N1 virus acquired mutations during passage in ferrets, ultimately becoming airborne transmissible in ferrets. None of the recipient ferrets died after airborne infection with the mutant A/H5N1 viruses. Four amino acid substitutions in the host receptor-binding protein hemagglutinin, and one in the polymerase complex protein basic polymerase 2, were consistently present in airborne-transmitted viruses. The transmissible viruses were sensitive to the antiviral drug oseltamivir and reacted well with antisera raised against H5 influenza vaccine strains. Thus, avian A/H5N1 influenza viruses can acquire the capacity for airborne transmission between mammals without recombination in an intermediate host and therefore constitute a risk for human pandemic influenza.

Virus-specific humoral and cellular immunity act synergistically to protect the host from viral infection. We interrogate the dynamic changes of virological and immunological parameters in 12 patients with symptomatic acute SARS-CoV-2 infection from disease onset to convalescence or death. We quantify SARS-CoV-2 viral RNA in the respiratory tract in parallel with antibodies and circulating T cells specific for various structural (nucleoprotein [NP], membrane [M], ORF3a, and spike) and non-structural (ORF7/8, NSP7, and NSP13) proteins. Although rapid induction and quantity of humoral responses associate with an increase in disease severity, early induction of interferon (IFN)-γ-secreting SARS-CoV-2-specific T cells is present in patients with mild disease and accelerated viral clearance. These findings provide support for the prognostic value of early functional SARS-CoV-2-specific T cells with important implications in vaccine design and immune monitoring.

Avian A/H5N1 influenza viruses pose a pandemic threat. As few as five amino acid substitutions, or four with reassortment, might be sufficient for mammal-to-mammal transmission through respiratory droplets. From surveillance data, we found that two of these substitutions are common in A/H5N1 viruses, and thus, some viruses might require only three additional substitutions to become transmissible via respiratory droplets between mammals. We used a mathematical model of within-host virus evolution to study factors that could increase and decrease the probability of the remaining substitutions evolving after the virus has infected a mammalian host. These factors, combined with the presence of some of these substitutions in circulating strains, make a virus evolving in nature a potentially serious threat. These results highlight critical areas in which more data are needed for assessing, and potentially averting, this threat.

During the SARS epidemic in 2003/2004, a number of deletions were observed in ORF8 of SARS-CoV, and eventually deletion variants became predominant, leading to the hypothesis that ORF8 was an evolutionary hot spot for adaptation of SARS-CoV to humans. However, due to the successful control of the SARS epidemic, the importance of these deletions for the epidemiological fitness of SARS-CoV in humans could not be established. The emergence of multiple SARS-CoV-2 strains with ORF8 deletions, combined with evidence of a robust immune response to ORF8, suggests that the lack of ORF8 may assist with host immune evasion. In addition to providing a key insight into the evolutionary behavior of SARS-CoV-2 as the virus adapts to its new human hosts, the emergence of ORF8 deletion variants may also impact vaccination strategies.

Recently, A/H5N1 influenza viruses were shown to acquire airborne transmissibility between ferrets upon targeted mutagenesis and virus passage. The critical genetic changes in airborne A/Indonesia/5/05 were not yet identified. Here, five substitutions proved to be sufficient to determine this airborne transmission phenotype. Substitutions in PB1 and PB2 collectively caused enhanced transcription and virus replication. One substitution increased HA thermostability and lowered the pH of membrane fusion. Two substitutions independently changed HA binding preference from α2,3-linked to α2,6-linked sialic acid receptors. The loss of a glycosylation site in HA enhanced overall binding to receptors. The acquired substitutions emerged early during ferret passage as minor variants and became dominant rapidly. Identification of substitutions that are essential for airborne transmission of avian influenza viruses between ferrets and their associated phenotypes advances our fundamental understanding of virus transmission and will increase the value of future surveillance programs and public health risk assessments.

Summary Virus-specific humoral and cellular immunity act synergistically to protect the host from viral infection. We interrogated the dynamic changes of virological and immunological parameters in 12 patients with symptomatic acute SARS-CoV-2 infection from disease onset to convalescence or death. We quantified SARS-CoV-2 viral RNA in the respiratory tract in parallel with antibodies and circulating T cells specific for various structural (NP, M, ORF3a and spike) and non-structural proteins (ORF7/8, NSP7 and NSP13). We observed that while rapid induction and quantity of humoral responses were associated with increased disease severity, an early induction of SARS-CoV-2 specific T cells was present in patients with mild disease and accelerated viral clearance. These findings provide further support for a protective role of SARS-CoV-2 specific T cells over antibodies during SARS-CoV-2 infection with important implications in vaccine design and immune-monitoring.

Abstract Bats are the reservoir for numerous human pathogens including coronaviruses. The factors leading to the emergence and sustained transmission of coronaviruses in humans are poorly understood. An outstanding question is how coronaviruses can accomplish a host switch with a likely mismatch between the surface protein spike of a bat virus and the human cellular receptor at the time of zoonotic virus transmission. To identify potential novel evolutionary pathways for zoonotic virus emergence, we serially passaged six human 229E isolates in a newly established Rhinolophus lepidus (horseshoe bat) kidney cells and analyzed viral genetic changes. Here we observed extensive deletions within the spike and ORF4 genes of five 229E viruses after passaging in bat cells. As a result, spike protein expression and infectivity of human cells was lost in 5 of 6 viruses but the capability to infect bat cells was maintained. Only viruses that expressed the spike protein could be neutralized by 229E spike-specific antibodies in human cells, whereas there was no neutralizing effect on viruses that do not express the spike protein inoculated on bat cells. However, one isolate acquired an early stop codon abrogating spike expression but maintaining infection in bat cells. Upon passaging this isolate in human cells, spike expression was restored due to acquisition of nucleotide insertions amongst virus subpopulations. Spike-independent infection of coronaviruses provides an alternative mechanism for viral maintenance in bats that does not rely on the compatibility of viral surface proteins and cellular entry receptors.

To date, the SARS-CoV-2 genome has been considered genetically more stable than SARS-CoV or MERS-CoV. Here we report a 382-nt deletion covering almost the entire open reading frame 8 (ORF8) of SARS-CoV-2 obtained from eight hospitalized patients in Singapore. The deletion also removes the ORF8 transcription-regulatory sequence (TRS), which in turn enhances the downstream transcription of the N gene. We also found that viruses with the deletion have been circulating for at least four weeks. During the SARS-CoV outbreak in 2003, a number of genetic variants were observed in the human population, and similar variation has since been observed across SARS-related CoVs in humans and bats. Overwhelmingly these viruses had mutations or deletions in ORF8, that have been associated with reduced replicative fitness of the virus. This is also consistent with the observation that towards the end of the outbreak sequences obtained from human SARS cases possessed an ORF8 deletion that may be associated with host adaptation. We therefore hypothesise that the major deletion revealed in this study may lead to an attenuated phenotype of SARS-CoV-2.

Abstract Memory T cells induced by previous infections can influence the course of new viral infections. Little is known about the pattern of SARS-CoV-2 specific pre-existing memory T cells in human. Here, we first studied T cell responses to structural (nucleocapsid protein, NP) and non-structural (NSP-7 and NSP13 of ORF1) regions of SARS-CoV-2 in convalescent from COVID-19 (n=24). In all of them we demonstrated the presence of CD4 and CD8 T cells recognizing multiple regions of the NP protein. We then show that SARS-recovered patients (n=23), 17 years after the 2003 outbreak, still possess long-lasting memory T cells reactive to SARS-NP, which displayed robust cross-reactivity to SARS-CoV-2 NP. Surprisingly, we observed a differential pattern of SARS-CoV-2 specific T cell immunodominance in individuals with no history of SARS, COVID-19 or contact with SARS/COVID-19 patients (n=18). Half of them (9/18) possess T cells targeting the ORF-1 coded proteins NSP7 and 13, which were rarely detected in COVID-19- and SARS-recovered patients. Epitope characterization of NSP7-specific T cells showed recognition of protein fragments with low homology to “common cold” human coronaviruses but conserved among animal betacoranaviruses. Thus, infection with betacoronaviruses induces strong and long-lasting T cell immunity to the structural protein NP. Understanding how pre-existing ORF-1-specific T cells present in the general population impact susceptibility and pathogenesis of SARS-CoV-2 infection is of paramount importance for the management of the current COVID-19 pandemic.