ABSTRACT Middle East respiratory syndrome (MERS) is an emerging infectious disease associated with a relatively high mortality rate of approximately 40%. MERS is caused by MERS coronavirus (MERS-CoV) infection, and no specific drugs or vaccines are currently available to prevent MERS-CoV infection. MERS-CoV is an enveloped virus, and its envelope protein (S protein) mediates membrane fusion at the plasma membrane or endosomal membrane. Multiple proteolysis by host proteases, such as furin, transmembrane protease serine 2 (TMPRSS2), and cathepsins, causes the S protein to become fusion competent. TMPRSS2, which is localized to the plasma membrane, is a serine protease responsible for the proteolysis of S in the post-receptor-binding stage. Here, we developed a cell-based fusion assay for S in a TMPRSS2-dependent manner using cell lines expressing Renilla luciferase (RL)-based split reporter proteins. S was stably expressed in the effector cells, and the corresponding receptor for S, CD26, was stably coexpressed with TMPRSS2 in the target cells. Membrane fusion between these effector and target cells was quantitatively measured by determining the RL activity. The assay was optimized for a 384-well format, and nafamostat, a serine protease inhibitor, was identified as a potent inhibitor of S-mediated membrane fusion in a screening of about 1,000 drugs approved for use by the U.S. Food and Drug Administration. Nafamostat also blocked MERS-CoV infection in vitro . Our assay has the potential to facilitate the discovery of new inhibitors of membrane fusion of MERS-CoV as well as other viruses that rely on the activity of TMPRSS2.

Although infection by SARS-CoV-2, the causative agent of coronavirus pneumonia disease (COVID-19), is spreading rapidly worldwide, no drug has been shown to be sufficiently effective for treating COVID-19. We previously found that nafamostat mesylate, an existing drug used for disseminated intravascular coagulation (DIC), effectively blocked Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) S protein-mediated cell fusion by targeting transmembrane serine protease 2 (TMPRSS2), and inhibited MERS-CoV infection of human lung epithelium-derived Calu-3 cells. Here we established a quantitative fusion assay dependent on severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) S protein, angiotensin I converting enzyme 2 (ACE2) and TMPRSS2, and found that nafamostat mesylate potently inhibited the fusion while camostat mesylate was about 10-fold less active. Furthermore, nafamostat mesylate blocked SARS-CoV-2 infection of Calu-3 cells with an effective concentration (EC)50 around 10 nM, which is below its average blood concentration after intravenous administration through continuous infusion. On the other hand, a significantly higher dose (EC50 around 30 mM) was required for VeroE6/TMPRSS2 cells, where the TMPRSS2-independent but cathepsin-dependent endosomal infection pathway likely predominates. Together, our study shows that nafamostat mesylate potently inhibits SARS-CoV-2 S protein-mediated fusion in a cell fusion assay system and also inhibits SARS-CoV-2 infection in vitro in a cell-type-dependent manner. These findings, together with accumulated clinical data regarding nafamostat's safety, make it a likely candidate drug to treat COVID-19.

Abstract The SARS-CoV-2 Omicron variant reportedly displays decreased usage of the cell surface entry pathway mediated by the host transmembrane protease, serine 2 (TMPRSS2) and increased usage of the endosomal entry pathway mediated by cathepsin B/L. These differences result in different cell tropisms and low fusogenicity from other SARS-CoV-2 variants. Recent studies have revealed that host metalloproteases are also involved in cell surface entry and fusogenic activity of SARS-CoV-2, independent of TMPRSS2. However, the involvement of metalloproteinase-mediated cell entry and fusogenicity in Omicron infections has not been investigated. Here, we report that Omicron infection is less sensitive to the metalloproteinase inhibitor marimastat, like the TMPRSS2 inhibitor nafamostat, and is more sensitive to the cathepsin B/L inhibitor E-64d than infections with wild-type SARS-CoV-2 and other variants. The findings indicate that Omicron preferentially utilizes the endosomal pathway rather than cell surface pathways for entry. Moreover, the Omicron variant also displays poor syncytia formation mediated by metalloproteinases, even when the S cleavage status mediated by fusion-like proteases is unchanged. Intriguingly, the pseudovirus assay showed that a single mutation, H655Y, of the Omicron spike (S) is responsible for the preferential entry pathway usage without affecting the S cleavage status. These findings suggest that the Omicron variant has altered entry properties and fusogenicity, probably through the H655Y mutation in its S protein, leading to modulations of tissue and cell tropism, and reduced pathogenicity. Author summary Recent studies have suggested that the SARS-CoV-2 Omicron variant displays altered cell tropism and fusogenicity, in addition to immune escape. However, comprehensive analyses of the usage of viral entry pathways in Omicron variant have not been performed. Here, we used protease inhibitors to block each viral entry pathway mediated by the three host proteases (cathepsin B/L, TMPRSS2, and metalloproteinases) in various cell types. The results clearly indicated that Omicron exhibits enhanced cathepsin B/L-dependent endosome entry and reduced metalloproteinase-dependent and TMPRSS2-dependent cell surface entry. Furthermore, the H655Y mutation of Omicron S determines the relative usage of the three entry pathways without affecting S cleavage by the host furin-like proteases. Comparative data among SARS-CoV-2 variants, including Omicron, may clarify the biological and pathological phenotypes of Omicron but increase the understanding of disease progression in infections with other SARS-CoV-2 variants.

Abstract Although infection by SARS-CoV-2, the causative agent of COVID-19, is spreading rapidly worldwide, no drug has been shown to be sufficiently effective for treating COVID-19. We previously found that nafamostat mesylate, an existing drug used for disseminated intravascular coagulation (DIC), effectively blocked MERS-CoV S protein-initiated cell fusion by targeting TMPRSS2, and inhibited MERS-CoV infection of human lung epithelium-derived Calu-3 cells. Here we established a quantitative fusion assay dependent on SARS-CoV-2 S protein, ACE2 and TMPRSS2, and found that nafamostat mesylate potently inhibited the fusion while camostat mesylate was about 10-fold less active. Furthermore, nafamostat mesylate blocked SARS-CoV-2 infection of Calu-3 cells with an EC 50 around 10 nM, which is below its average blood concentration after intravenous administration through continuous infusion. These findings, together with accumulated clinical data regarding its safety, make nafamostat a likely candidate drug to treat COVID-19.

Abstract The ongoing global vaccination program to prevent SARS-CoV-2 infection, the causative agent of COVID-19, has had significant success. However, recently virus variants have emerged that can evade the immunity in a host achieved through vaccination. Consequently, new therapeutic agents that can efficiently prevent infection from these new variants, and hence COVID-19 spread are urgently required. To achieve this, extensive characterization of virus-host cell interactions to identify effective therapeutic targets is warranted. Here, we report a cell surface entry pathway of SARS-CoV-2 that exists in a cell type-dependent manner is TMPRSS2-independent but sensitive to various broad-spectrum metalloproteinase inhibitors such as marimastat and prinomastat. Experiments with selective metalloproteinase inhibitors and gene-specific siRNAs revealed that a disintegrin and metalloproteinase 10 (ADAM10) is partially involved in the metalloproteinase pathway. Consistent with our finding that the pathway is unique to SARS-CoV-2 among highly pathogenic human coronaviruses, both the furin cleavage motif in the S1/S2 boundary and the S2 domain of SARS-CoV-2 spike protein are essential for metalloproteinase-dependent entry. In contrast, the two elements of SARS-CoV-2 independently contributed to TMPRSS2-dependent S2 priming. The metalloproteinase pathway is involved in SARS-CoV-2-induced syncytia formation and cytopathicity, leading us to theorize that it is also involved in the rapid spread of SARS-CoV-2 and the pathogenesis of COVID-19. Thus, targeting the metalloproteinase pathway in addition to the TMPRSS2 and endosome pathways could be an effective strategy by which to cure COVID-19 in the future. Author Summary To develop effective therapeutics against COVID-19, it is necessary to elucidate in detail the infection mechanism of the causative agent, SARS-CoV-2, including recently emerging variants. SARS-CoV-2 binds to the cell surface receptor ACE2 via the Spike protein, and then the Spike protein is cleaved by host proteases to enable entry. Selection of target cells by expression of these tissue-specific proteases contributes to pathogenesis. Here, we found that the metalloproteinase-mediated pathway is important for SARS-CoV-2 infection, variants included. This pathway requires both the prior cleavage of Spike into two domains and a specific sequence in the second domain S2, conditions met by SARS-CoV-2 but lacking in the related human coronavirus SARS-CoV. The contribution of several proteases, including metalloproteinases, to SARS-CoV-2 infection was cell type dependent, especially in cells derived from kidney, ovary, and endometrium, in which SARS-CoV-2 infection was metalloproteinase-dependent. In these cells, inhibition of metalloproteinases by treatment with marimastat or prinomastat, whose safety was previously confirmed in clinical trials, was important in preventing cell death. Our study provides new insights into the complex pathogenesis unique to COVID-19 and relevant to the development of effective therapies.

Abstract Post-translational modifications and mRNA translation are frequently altered in human cancers. However, investigations to understand their roles in the cancer progression mechanism remain insufficient. In this research, we explored protein levels altered by translational or post-translational regulation by analyzing transcriptome and western blotting data of the highly malignant breast cancer cell lines. From these analyses, NIK was found to be upregulated at the protein level to predominantly activate the non-canonical NF-κB pathway in a breast cancer cell line. Furthermore, the increase in NIK protein production was attributed to the dysregulation of ubiquitin-proteasome system caused by a decrease in the translation of cIAP1. NIK upregulation contributed to tumorigenicity by regulating the expression of inflammatory response-related genes. Collectively, our study suggests that NIK is post-translationally modified and has the potential to be a therapeutic target and diagnostic marker for breast cancer.

Abstract Silencing viruses by chimeric RNAs, wherein small interfering RNAs (siRNAs) targeting viral RNAs are conjugated with RNA aptamers specific to viral envelope proteins, is a promising treatment for viral infection diseases; however, practical evaluations are apparently lacking. Here we present a chimeric RNA comprised of siRNA and RNA aptamer, both of which target all four serotypes of dengue virus (DENV), for suppressing DENV replication. The siRNA targeting consensus sequences in the 3’UTR of all four DENV serotypes suppressed the expression of a reporter gene carrying the siRNA-targeted sequence of DENV-1 by approximately 70%. The RNA aptamer generated by VLP-SELEX using DENV-1-VLPs as baits showed an affinity for all four DENV-VLP serotypes, presumably without affecting the fusion process. After conjugation of each modality, the chimeric RNA significantly suppressed authentic DENV-1 and DENV-2 production in vitro. Our study provides evidence that chimeric RNA is a potentially effective antiviral agent.