Abstract Both gastrointestinal symptoms and fecal shedding of SARS-CoV-2 RNA have been frequently observed in COVID-19 patients. However, whether SARS-CoV-2 replicate in the human intestine and its clinical relevance to potential fecal-oral transmission remain unclear. Here, we demonstrate productive infection of SARS-CoV-2 in ACE2+ mature enterocytes in human small intestinal enteroids. In addition to TMPRSS2, another mucosa-specific serine protease, TMPRSS4, also enhanced SARS-CoV-2 spike fusogenic activity and mediated viral entry into host cells. However, newly synthesized viruses released into the intestinal lumen were rapidly inactivated by human colonic fluids and no infectious virus was recovered from the stool specimens of COVID-19 patients. Our results highlight the intestine as a potential site of SARS-CoV-2 replication, which may contribute to local and systemic illness and overall disease progression.

Virus entry is a multistep process. It initiates when the virus attaches to the host cell and ends when the viral contents reach the cytosol. Genetically unrelated viruses can subvert analogous subcellular mechanisms and use similar trafficking pathways for successful entry. Antiviral strategies targeting early steps of infection are therefore appealing, particularly when the probability for successful interference through a common step is highest. We describe here potent inhibitory effects on content release and infection by chimeric VSV containing the envelope proteins of Zaire ebolavirus (VSV-ZEBOV) or SARS-CoV-2 (VSV-SARS-CoV-2) elicited by Apilimod and Vacuolin-1, small molecule inhibitors of the main endosomal Phosphatidylinositol-3-Phosphate/Phosphatidylinositol 5-Kinase, PIKfyve. We also describe potent inhibition of SARS-CoV-2 strain 2019-nCoV/USA-WA1/2020 by Apilimod. These results define new tools for studying the intracellular trafficking of pathogens elicited by inhibition of PIKfyve kinase and suggest the potential for targeting this kinase in developing small-molecule antivirals against SARS-CoV-2.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has caused millions of human infections and hundreds of thousands of deaths. Accordingly, an effective vaccine is of critical importance in mitigating coronavirus induced disease 2019 (COVID-19) and curtailing the pandemic. We developed a replication-competent vesicular stomatitis virus (VSV)-based vaccine by introducing a modified form of the SARS-CoV-2 spike gene in place of the native glycoprotein gene (VSV-eGFP-SARS-CoV-2). Immunization of mice with VSV-eGFP-SARS-CoV-2 elicits high titers of antibodies that neutralize SARS-CoV-2 infection and target the receptor binding domain that engages human angiotensin converting enzyme-2 (ACE2). Upon challenge with a human isolate of SARS-CoV-2, mice expressing human ACE2 and immunized with VSV-eGFP-SARS-CoV-2 show profoundly reduced viral infection and inflammation in the lung indicating protection against pneumonia. Finally, passive transfer of sera from VSV-eGFP-SARS-CoV-2-immunized animals protects naïve mice from SARS-CoV-2 challenge. These data support development of VSV-eGFP-SARS-CoV-2 as an attenuated, replication-competent vaccine against SARS-CoV-2.

Established in vitro models for SARS-CoV-2 infection are limited and include cell lines of non-human origin and those engineered to overexpress ACE2, the cognate host cell receptor. We identified human H522 lung adenocarcinoma cells as naturally permissive to SARS-CoV-2 infection despite complete absence of ACE2. Infection of H522 cells required the SARS-CoV-2 spike protein, though in contrast to ACE2-dependent models, spike alone was not sufficient for H522 infection. Temporally resolved transcriptomic and proteomic profiling revealed alterations in cell cycle and the antiviral host cell response, including MDA5-dependent activation of type-I interferon signaling. Focused chemical screens point to important roles for clathrin-mediated endocytosis and endosomal cathepsins in SARS-CoV-2 infection of H522 cells. These findings imply the utilization of an alternative SARS-CoV-2 host cell receptor which may impact tropism of SARS-CoV-2 and consequently human disease pathogenesis.

Pathogenic coronaviruses represent a major threat to global public health. Here, using a recombinant reporter virus-based compound screening approach, we identified several small-molecule inhibitors that potently block the replication of the newly emerged severe acute respiratory syndrome virus 2 (SARS-CoV-2). Among them, JIB-04 inhibited SARS-CoV-2 replication in Vero E6 cells with an EC50 of 695 nM, with a specificity index of greater than 1,000. JIB-04 showed in vitro antiviral activity in multiple cell types against several DNA and RNA viruses, including porcine coronavirus transmissible gastroenteritis virus. In an in vivo porcine model of coronavirus infection, administration of JIB-04 reduced virus infection and associated tissue pathology, which resulted in improved weight gain and survival. These results highlight the potential utility of JIB-04 as an antiviral agent against SARS-CoV-2 and other viral pathogens.

The host cell serine protease TMPRSS2 is an attractive therapeutic target for COVID-19 drug discovery. This protease activates the Spike protein of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and of other coronaviruses and is essential for viral spread in the lung. Utilizing rational structure-based drug design (SBDD) coupled to substrate specificity screening of TMPRSS2, we have discovered a novel class of small molecule ketobenzothiazole TMPRSS2 inhibitors with significantly improved activity over existing irreversible inhibitors Camostat and Nafamostat. Lead compound MM3122 ( 4 ) has an IC 50 of 340 pM against recombinant full-length TMPRSS2 protein, an EC 50 of 430 pM in blocking host cell entry into Calu-3 human lung epithelial cells of a newly developed VSV SARS-CoV-2 chimeric virus, and an EC 50 of 74 nM in inhibiting cytopathic effects induced by SARS-CoV-2 virus in Calu-3 cells. Further, MM3122 blocks Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus (MERS-CoV) cell entry with an EC 50 of 870 pM. MM3122 has excellent metabolic stability, safety, and pharmacokinetics in mice with a half-life of 8.6 hours in plasma and 7.5 h in lung tissue, making it suitable for in vivo efficacy evaluation and a promising drug candidate for COVID-19 treatment.

Abstract Antibodies targeting the SARS-CoV-2 spike receptor-binding domain (RBD) are being developed as therapeutics and make a major contribution to the neutralizing antibody response elicited by infection. Here, we describe a deep mutational scanning method to map how all amino-acid mutations in the RBD affect antibody binding, and apply this method to 10 human monoclonal antibodies. The escape mutations cluster on several surfaces of the RBD that broadly correspond to structurally defined antibody epitopes. However, even antibodies targeting the same RBD surface often have distinct escape mutations. The complete escape maps predict which mutations are selected during viral growth in the presence of single antibodies, and enable us to design escape-resistant antibody cocktails–including cocktails of antibodies that compete for binding to the same surface of the RBD but have different escape mutations. Therefore, complete escape-mutation maps enable rational design of antibody therapeutics and assessment of the antigenic consequences of viral evolution.

SARS-CoV-2 entry into host cells is orchestrated by the spike (S) glycoprotein that contains an immunodominant receptor-binding domain (RBD) targeted by the largest fraction of neutralizing antibodies (Abs) in COVID-19 patient plasma. Little is known about neutralizing Abs binding to epitopes outside the RBD and their contribution to protection. Here, we describe 41 human monoclonal Abs (mAbs) derived from memory B cells, which recognize the SARS-CoV-2 S N-terminal domain (NTD) and show that a subset of them neutralize SARS-CoV-2 ultrapotently. We define an antigenic map of the SARS-CoV-2 NTD and identify a supersite recognized by all known NTD-specific neutralizing mAbs. These mAbs inhibit cell-to-cell fusion, activate effector functions, and protect Syrian hamsters from SARS-CoV-2 challenge. SARS-CoV-2 variants, including the 501Y.V2 and B.1.1.7 lineages, harbor frequent mutations localized in the NTD supersite suggesting ongoing selective pressure and the importance of NTD-specific neutralizing mAbs to protective immunity.