Inflammasome is an intracellular signaling complex of the innate immune system. Activation of inflammasomes promotes the secretion of interleukin 1β (IL-1β) and IL-18 and triggers pyroptosis. Caspase-1 and -11 (or -4/5 in human) in the canonical and non-canonical inflammasome pathways, respectively, are crucial for inflammasome-mediated inflammatory responses. Here we report that gasdermin D (GSDMD) is another crucial component of inflammasomes. We discovered the presence of GSDMD protein in nigericin-induced NLRP3 inflammasomes by a quantitative mass spectrometry-based analysis. Gene deletion of GSDMD demonstrated that GSDMD is required for pyroptosis and for the secretion but not proteolytic maturation of IL-1β in both canonical and non-canonical inflammasome responses. It was known that GSDMD is a substrate of caspase-1 and we showed its cleavage at the predicted site during inflammasome activation and that this cleavage was required for pyroptosis and IL-1β secretion. Expression of the N-terminal proteolytic fragment of GSDMD can trigger cell death and N-terminal modification such as tagging with Flag sequence disrupted the function of GSDMD. We also found that pro-caspase-1 is capable of processing GSDMD and ASC is not essential for GSDMD to function. Further analyses of LPS plus nigericin- or Salmonella typhimurium-treated macrophage cell lines and primary cells showed that apoptosis became apparent in Gsdmd−/− cells, indicating a suppression of apoptosis by pyroptosis. The induction of apoptosis required NLRP3 or other inflammasome receptors and ASC, and caspase-1 may partially contribute to the activation of apoptotic caspases in Gsdmd−/− cells. These data provide new insights into the molecular mechanisms of pyroptosis and reveal an unexpected interplay between apoptosis and pyroptosis.

Protective neutralizing antibodies Antibodies produced by survivors of coronavirus disease 2019 (COVID-19) may be leveraged to develop therapies. A first step is identifying neutralizing antibodies, which confer strong protection against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Rogers et al. used a high-throughput pipeline to isolate and characterize monoclonal antibodies from convalescent donors. Antibodies were selected for binding to the viral spike protein, which facilitates entry into host cells by binding to the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor. Most isolated antibodies bound to regions of the spike outside of the receptor binding domain (RBD); however, a larger proportion of the RBD-binding antibodies were neutralizing, with the most potent binding at a site that overlaps the ACE2 binding site. Two of the neutralizing antibodies were tested in Syrian hamsters and provided protection against SARS-CoV-2 infection. Science , this issue p. 956

Mixed lineage kinase domain-like protein (MLKL) was identified to function downstream of receptor interacting protein 3 (RIP3) in tumor necrosis factor-α (TNF)-induced necrosis (also called necroptosis). However, how MLKL functions to mediate necroptosis is unknown. By reconstitution of MLKL function in MLKL-knockout cells, we showed that the N-terminus of MLKL is required for its function in necroptosis. The oligomerization of MLKL in TNF-treated cells is essential for necroptosis, as artificially forcing MLKL together by using the hormone-binding domain (HBD*) triggers necroptosis. Notably, forcing together the N-terminal domain (ND) but not the C-terminal kinase domain of MLKL causes necroptosis. Further deletion analysis showed that the four-α-helix bundle of MLKL (1-130 amino acids) is sufficient to trigger necroptosis. Both the HBD*-mediated and TNF-induced complexes of MLKL(ND) or MLKL are tetramers, and translocation of these complexes to lipid rafts of the plasma membrane precedes cell death. The homo-oligomerization is required for MLKL translocation and the signal sequence for plasma membrane location is located in the junction of the first and second α-helices of MLKL. The plasma membrane translocation of MLKL or MLKL(ND) leads to sodium influx, and depletion of sodium from the cell culture medium inhibits necroptosis. All of the above phenomena were not seen in apoptosis. Thus, the MLKL oligomerization leads to translocation of MLKL to lipid rafts of plasma membrane, and the plasma membrane MLKL complex acts either by itself or via other proteins to increase the sodium influx, which increases osmotic pressure, eventually leading to membrane rupture.

Necroptosis and pyroptosis are two forms of programmed cell death with a common feature of plasma membrane rupture. Here we studied the morphology and mechanism of pyroptosis in comparison with necroptosis. Different from necroptosis, pyroptosis undergoes membrane blebbing and produces apoptotic body-like cell protrusions (termed pyroptotic bodies) prior to plasma membrane rupture. The rupture in necroptosis is explosion-like, whereas in pyroptosis it leads to flattening of cells. It is known that the execution of necroptosis is mediated by mixed lineage kinase domain-like (MLKL) oligomers in the plasma membrane, whereas gasdermin-D (GSDMD) mediates pyroptosis after its cleavage by caspase-1 or caspase-11. We show that N-terminal fragment of GSDMD (GSDMD-N) generated by caspase cleavage also forms oligomer and migrates to the plasma membrane to kill cells. Both MLKL and GSDMD-N are lipophilic and the N-terminal sequences of both proteins are important for their oligomerization and plasma membrane translocation. Unlike MLKL which forms channels on the plasma membrane that induces influx of selected ions which osmotically swell the cells to burst, GSDMD-N forms non-selective pores and does not rely on increased osmolarity to disrupt cells. Our study reveals the pore-forming activity of GSDMD and channel-forming activity of MLKL determine different ways of plasma membrane rupture in pyroptosis and necroptosis.

ABSTRACT The development of countermeasures to prevent and treat COVID-19 is a global health priority. In under 7 weeks, we enrolled a cohort of SARS-CoV-2-recovered participants, developed neutralization assays to interrogate serum and monoclonal antibody responses, adapted our high throughput antibody isolation, production and characterization pipeline to rapidly screen over 1000 antigen-specific antibodies, and established an animal model to test protection. We report multiple highly potent neutralizing antibodies (nAbs) and show that passive transfer of a nAb provides protection against high-dose SARS-CoV-2 challenge in Syrian hamsters. The study suggests a role for nAbs in prophylaxis, and potentially therapy, of COVID-19. The nAbs define protective epitopes to guide vaccine design.

The COVID-19 pandemic is the most important public health threat in recent history. Here we study how its causal agent, SARS-CoV-2, has diversified genetically since its first emergence in December 2019. We have created a pipeline combining both phylogenetic and structural analysis to identify possible human-adaptation related mutations in a data set consisting of 4,894 SARS-CoV-2 complete genome sequences. Although the phylogenetic diversity of SARS-CoV-2 is low, the whole genome phylogenetic tree can be divided into five clusters/clades based on the tree topology and clustering of specific mutations, but its branches exhibit low genetic distance and bootstrap support values. We also identified 11 residues that are high-frequency substitutions, with four of them currently showing some signal for potential positive selection. These fast-evolving sites are in the non-structural proteins nsp2, nsp5 (3CL-protease), nsp6, nsp12 (polymerase) and nsp13 (helicase), in accessory proteins (ORF3a, ORF8) and in the structural proteins N and S. Temporal and spatial analysis of these potentially adaptive mutations revealed that the incidence of some of these sites was declining after having reached an (often local) peak, whereas the frequency of other sites is continually increasing and now exhibit a worldwide distribution. Structural analysis revealed that the mutations are located on the surface of the proteins that modulate biochemical properties. We speculate that this improves binding to cellular proteins and hence represents fine-tuning of adaptation to human cells. Our study has implications for the design of biochemical and clinical experiments to assess whether important properties of SARS-CoV-2 have changed during the epidemic.

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

ABSTRACT The emergence of a novel coronavirus, SARS-CoV-2, resulted in a pandemic. Here, we used recently released X-ray structures of human ACE2 bound to the receptor-binding domain (RBD) of the spike protein (S) from SARS-CoV-2 to predict its binding to ACE2 proteins from different animals, including pets, farm animals, and putative intermediate hosts of SARS-CoV-2. Comparing the interaction sites of ACE2 proteins known to serve or not serve as receptor allows to define residues important for binding. From the 20 amino acids in ACE2 that contact S up to seven can be replaced and ACE2 can still function as the SARS-CoV-2 receptor. These variable amino acids are clustered at certain positions, mostly at the periphery of the binding site, while changes of the invariable residues prevent S-binding or infection of the respective animal. Some ACE2 proteins even tolerate the loss or the acquisition of N-glycosylation sites located near the S-interface. Of note, pigs and dogs which are not or not effectively infected, respectively, have only a few changes in the binding site have relatively low levels of ACE2 in the respiratory tract. Comparison of the RBD of S of SARS-CoV-2 with viruses from bat and pangolin revealed that the latter contains only one substitution, whereas the bat virus exhibits five. However, ACE2 of pangolin exhibit seven changes relative to human ACE2, a similar number of substitutions is present in ACE2 of bats, raccoon, and civet suggesting that SARS-CoV-2 may not especially adapted to ACE2 of any of its putative intermediate hosts. These analyses provide new insight into the receptor usage and animal source/origin of SARS-COV-2. IMPORTANCE SARS-CoV-2 is threatening people worldwide and there are no drugs or vaccines available to mitigate its spread. The origin of the virus is still unclear and whether pets and livestock can be infected and transmit SARS-CoV-2 are important and unknown scientific questions. Effective binding to the host receptor ACE2 is the first prerequisite for infection of cells and determines the host range. Our analysis provides a framework for the prediction of potential hosts of SARS-CoV-2. We found that ACE2 from species known to support SARS-CoV-2 infection tolerate many amino acid changes indicating that the species barrier might be low. However, the lower expression of ACE2 in the upper respiratory tract of some pets and livestock means more research and monitoring should be done to explore the animal source of infection and the risk of potential cross-species transmission. Finally, the analysis also showed that SARS-CoV-2 may not specifically adapted to any of its putative intermediate hosts.

ABSTRACT To prepare for future coronavirus (CoV) pandemics, it is desirable to generate vaccines capable of eliciting neutralizing antibody responses against multiple CoVs. Because of the phylogenetic similarity to humans, rhesus macaques are an animal model of choice for many virus-challenge and vaccine-evaluation studies, including SARS-CoV-2. Here, we show that immunization of macaques with SARS-CoV-2 spike (S) protein generates potent receptor binding domain cross- neutralizing antibody (nAb) responses to both SARS-CoV-2 and SARS-CoV-1, in contrast to human infection or vaccination where responses are typically SARS-CoV-2-specific. Furthermore, the macaque nAbs are equally effective against SARS-CoV-2 variants of concern. Structural studies show that different immunodominant sites are targeted by the two primate species. Human antibodies generally target epitopes strongly overlapping the ACE2 receptor binding site (RBS), whereas the macaque antibodies recognize a relatively conserved region proximal to the RBS that represents another potential pan-SARS-related virus site rarely targeted by human antibodies. B cell repertoire differences between the two primates appear to significantly influence the vaccine response and suggest care in the use of rhesus macaques in evaluation of vaccines to SARS-related viruses intended for human use. ONE SENTENCE SUMMARY Broadly neutralizing antibodies to an unappreciated site of conservation in the RBD in SARS- related viruses can be readily induced in rhesus macaques because of distinct properties of the naïve macaque B cell repertoire that suggest prudence in the use of the macaque model in SARS vaccine evaluation and design.

Abstract A central tenet in the design of vaccines is the display of native-like antigens in the elicitation of protective immunity. The abundance of N-linked glycans across the SARS-CoV-2 spike protein is a potential source of heterogeneity between the many different vaccine candidates under investigation. Here, we investigate the glycosylation of recombinant SARS-CoV-2 spike proteins from five different laboratories and compare them against infectious virus S protein. We find patterns which are conserved across all samples and this can be associated with site-specific stalling of glycan maturation which act as a highly sensitive reporter of protein structure. Molecular dynamics (MD) simulations of a fully glycosylated spike support s a model of steric restrictions that shape enzymatic processing of the glycans. These results suggest that recombinant spike-based SARS-CoV-2 immunogen glycosylation reproducibly recapitulates signatures of viral glycosylation.