Vaccines based on the spike protein of SARS-CoV-2 are a cornerstone of the public health response to COVID-19. The emergence of hypermutated, increasingly transmissible variants of concern (VOCs) threaten this strategy. Omicron (B.1.1.529), the fifth VOC to be described, harbours multiple amino acid mutations in spike, half of which lie within the receptor-binding domain. Here we demonstrate substantial evasion of neutralization by Omicron BA.1 and BA.2 variants in vitro using sera from individuals vaccinated with ChAdOx1, BNT162b2 and mRNA-1273. These data were mirrored by a substantial reduction in real-world vaccine effectiveness that was partially restored by booster vaccination. The Omicron variants BA.1 and BA.2 did not induce cell syncytia in vitro and favoured a TMPRSS2-independent endosomal entry pathway, these phenotypes mapping to distinct regions of the spike protein. Impaired cell fusion was determined by the receptor-binding domain, while endosomal entry mapped to the S2 domain. Such marked changes in antigenicity and replicative biology may underlie the rapid global spread and altered pathogenicity of the Omicron variant.

Among the 30 non-synonymous nucleotide substitutions in the Omicron S-gene are 13 that have only rarely been seen in other SARS-CoV-2 sequences. These mutations cluster within three functionally important regions of the S-gene at sites that will likely impact (i) interactions between subunits of the Spike trimer and the predisposition of subunits to shift from down to up configurations, (ii) interactions of Spike with ACE2 receptors, and (iii) the priming of Spike for membrane fusion. We show here that, based on both the rarity of these 13 mutations in intrapatient sequencing reads and patterns of selection at the codon sites where the mutations occur in SARS-CoV-2 and related sarbecoviruses, prior to the emergence of Omicron the mutations would have been predicted to decrease the fitness of any genomes within which they occurred. We further propose that the mutations in each of the three clusters therefore cooperatively interact to both mitigate their individual fitness costs, and adaptively alter the function of Spike. Given the evident epidemic growth advantages of Omicron over all previously known SARS-CoV-2 lineages, it is crucial to determine both how such complex and highly adaptive mutation constellations were assembled within the Omicron S-gene, and why, despite unprecedented global genomic surveillance efforts, the early stages of this assembly process went completely undetected.

RNA viruses are proficient at switching host species, and evolving adaptations to exploit the new host's cells efficiently. Surprisingly, SARS-CoV-2 has apparently required no significant adaptation to humans since the start of the COVID-19 pandemic, with no observed selective sweeps since genome sampling began. Here we assess the types of natural selection taking place in Sarbecoviruses in horseshoe bats versus SARS-CoV-2 evolution in humans. While there is moderate evidence of diversifying positive selection in SARS-CoV-2 in humans, it is limited to the early phase of the pandemic, and purifying selection is much weaker in SARS-CoV-2 than in related bat Sarbecoviruses . In contrast, our analysis detects significant positive episodic diversifying selection acting on the bat virus lineage SARS-CoV-2 emerged from, accompanied by an adaptive depletion in CpG composition presumed to be linked to the action of antiviral mechanisms in ancestral hosts. The closest bat virus to SARS-CoV-2, RmYN02 (sharing an ancestor ∼1976), is a recombinant with a structure that includes differential CpG content in Spike; clear evidence of coinfection and evolution in bats without involvement of other species. Collectively our results demonstrate the progenitor of SARS-CoV-2 was capable of near immediate human-human transmission as a consequence of its adaptive evolutionary history in bats, not humans.

Abstract Remdesivir (RDV) is used widely for COVID-19 patients despite varying results in recent clinical trials. Here, we show how serially passaging SARS-CoV-2 in vitro in the presence of RDV selected for drug-resistant viral populations. We determined that the E802D mutation in the RNA-dependent RNA polymerase was sufficient to confer decreased RDV sensitivity without affecting viral fitness. Analysis of more than 200,000 sequences of globally circulating SARS-CoV-2 variants show no evidence of widespread transmission of RDV-resistant mutants. Surprisingly, we also observed changes in the Spike (i.e., H69 E484, N501, H655) corresponding to mutations identified in emerging SARS-CoV-2 variants indicating that they can arise in vitro in the absence of immune selection. This study illustrates SARS-CoV-2 genome plasticity and offers new perspectives on surveillance of viral variants. One Sentence Summary SARS-CoV-2 drug resistance & genome plasticity

Abstract Recombination contributes to the genetic diversity found in coronaviruses and is known to be a prominent mechanism whereby they evolve. It is apparent, both from controlled experiments and in genome sequences sampled from nature, that patterns of recombination in coronaviruses are non-random and that this is likely attributable to a combination of sequence features that favour the occurrence of recombination breakpoints at specific genomic sites, and selection disfavouring the survival of recombinants within which favourable intra-genome interactions have been disrupted. Here we leverage available whole-genome sequence data for six coronavirus subgenera to identify specific patterns of recombination that are conserved between multiple subgenera and then identify the likely factors that underlie these conserved patterns. Specifically, we confirm the non-randomness of recombination breakpoints across all six tested coronavirus subgenera, locate conserved recombination hot- and cold-spots, and determine that the locations of transcriptional regulatory sequences are likely major determinants of conserved recombination breakpoint hot-spot locations. We find that while the locations of recombination breakpoints are not uniformly associated with degrees of nucleotide sequence conservation, they display significant tendencies in multiple coronavirus subgenera to occur in low guanine-cytosine content genome regions, in non-coding regions, at the edges of genes, and at sites within the Spike gene that are predicted to be minimally disruptive of Spike protein folding. While it is apparent that sequence features such as transcriptional regulatory sequences are likely major determinants of where the template-switching events that yield recombination breakpoints most commonly occur, it is evident that selection against misfolded recombinant proteins also strongly impacts observable recombination breakpoint distributions in coronavirus genomes sampled from nature.

ABSTRACT Infected hosts possess two alternative strategies to protect themselves against the negative impact of virus infections: (i) “resistance”, directed to abrogate virus replication, or (ii) “disease tolerance”, aimed to avoid organ and tissue damage without overly controlling viral burden. The overall principles governing pathogen resistance are well understood, while less is known about those involved in disease tolerance. Here, we studied bluetongue virus (BTV), the cause of a major disease of ruminants, bluetongue, as a model system to investigate the mechanisms of disease tolerance. BTV induces clinical disease mainly in sheep, while cattle are considered reservoirs of infection, rarely exhibiting clinical symptoms despite sustained viremia. Here, we show that BTV consistently reaches higher titres in ovine primary cells, compared to cells derived from cattle. The variable replication kinetics of BTV in sheep and cattle cells were mostly abolished by abrogating the cell type-I interferon (IFN) response. By screening a library of bovine interferon stimulated genes (ISGs), we identified restriction factors blocking BTV replication, however both sheep and cattle orthologues of these antiviral genes possess anti-BTV properties. Importantly, we demonstrate that BTV induces a faster host cell protein synthesis shutoff in primary sheep cells, compared to cattle cells, which results in an earlier downregulation of antiviral proteins. Moreover, by RNAseq we also show a more pronounced expression of ISGs in BTV infected cattle cells compared to sheep cells. Our data provide a new perspective on how the type-I IFN response in reservoir species can have overall positive effects on both virus and host evolution.

Abstract Most viral diseases display a variable clinical outcome due to differences in virus strain virulence and/or individual host susceptibility to infection. Understanding the biological mechanisms differentiating a viral infection displaying severe clinical manifestations from its milder forms can provide the intellectual framework toward therapies and early prognostic markers. This is especially true in arbovirus infections, where most clinical cases are present as mild febrile illness. Here, we used a naturally occurring vector-borne viral disease of ruminants, bluetongue, as an experimental system to uncover the fundamental mechanisms of virus-host interactions resulting in distinct clinical outcomes. As with most viral diseases, clinical symptoms in bluetongue can vary dramatically. We reproduced experimentally distinct clinical forms of bluetongue infection in sheep using three bluetongue virus (BTV) strains (BTV-1 IT2006 , BTV-1 IT2013 and BTV-8 FRA2017 ). Infected animals displayed clinical signs varying from clinically unapparent, to mild and severe disease. We collected and integrated clinical, haematological, virological, and histopathological data resulting in the analyses of 332 individual parameters from each infected and uninfected control animal. We subsequently used machine learning to identify the key viral and host processes associated with disease pathogenesis. We identified five different fundamental processes affecting the severity of bluetongue: (i) virus load and replication in target organs, (ii) modulation of the host type-I IFN response, (iii) pro-inflammatory responses, (iv) vascular damage, and (v) immunosuppression. Overall, our study using an agnostic machine learning approach, can be used to prioritise the different pathogenetic mechanisms affecting the disease outcome of an arbovirus infection.