Coronaviruses, including SARS-CoV-2 the etiological agent of COVID-19 disease, have caused multiple epidemic and pandemic outbreaks in the past 20 years1-3. With no vaccines, and only recently developed antiviral therapeutics, we are ill equipped to handle coronavirus outbreaks4. A better understanding of the molecular mechanisms that regulate coronavirus replication and pathogenesis is needed to guide the development of new antiviral therapeutics and vaccines. RNA secondary structures play critical roles in multiple aspects of coronavirus replication, but the extent and conservation of RNA secondary structure across coronavirus genomes is unknown5. Here, we define highly structured RNA regions throughout the MERS-CoV, SARS-CoV, and SARS-CoV-2 genomes. We find that highly stable RNA structures are pervasive throughout coronavirus genomes, and are conserved between the SARS-like CoV. Our data suggests that selective pressure helps preserve RNA secondary structure in coronavirus genomes, suggesting that these structures may play important roles in virus replication and pathogenesis. Thus, disruption of conserved RNA secondary structures could be a novel strategy for the generation of attenuated SARS-CoV-2 vaccines for use against the current COVID-19 pandemic.

Defects in mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) have been reported in COVID-19 patients, but the timing and organs affected vary among reports. Here, we reveal the dynamics of COVID-19 through transcription profiles in nasopharyngeal and autopsy samples from patients and infected rodent models. While mitochondrial bioenergetics is repressed in the viral nasopharyngeal portal of entry, it is up regulated in autopsy lung tissues from deceased patients. In most disease stages and organs, discrete OXPHOS functions are blocked by the virus, and this is countered by the host broadly up regulating unblocked OXPHOS functions. No such rebound is seen in autopsy heart, results in severe repression of genes across all OXPHOS modules. Hence, targeted enhancement of mitochondrial gene expression may mitigate the pathogenesis of COVID-19.

There is an urgent need for a vaccine with efficacy against SARS-CoV-2. We hypothesize that peptide vaccines containing epitope regions optimized for concurrent B cell, CD4

Abstract Using incipient lines of the Collaborative Cross (CC), a murine genetic reference population, we previously identified a quantitative trait loci (QTL) associated with low SARS-CoV titer. In this study, we integrated sequence information and RNA expression of genes within the QTL to identify mucin 4 ( Muc4 ) as a high priority candidate for controlling SARS-CoV titer in the lung. To test this hypothesis, we infected Muc4 -/- mice and found that female, but not male, Muc4 -/- mice developed more weight loss and disease following infection with SARS-CoV. Female Muc4 -/- mice also had more difficulty breathing despite reduced lung pathology; however, no change in viral titers was observed. Comparing across viral families, studies with chikungunya virus, a mosquito-borne arthralgic virus, suggests that Muc4’s impact on viral pathogenesis may be widespread. Although not confirming the original titer QTL, our data identifies a role for Muc4 in the SARS-CoV disease and viral pathogenesis. Importance Given the recent emergence of SARS-CoV-2, this work suggest that Muc4 expression plays a protective role in female mice not conserved in male mice following SARS-CoV infection. With the SARS-CoV-2 outbreak continuing, treatments that modulate or enhance Muc4 activity may provide an avenue for treatment and improved outcomes. In addition, the work highlights the importance of studying host factors including host genetics and biological sex as key parameters influencing infection and disease outcomes.

ABSTRACT Powassan virus (POWV) is an emerging tick-borne flavivirus that causes neuroinvasive disease, including encephalitis, meningitis, and paralysis. Similar to other neuroinvasive flaviviruses, such as West Nile virus (WNV) and Japanese encephalitis virus (JEV), POWV disease presentation is heterogeneous, and the factors influencing disease outcome are not fully understood. We used Collaborative Cross (CC) mice to assess the impact of host genetic factors on POWV pathogenesis. We infected a panel of Oas1b -null CC lines with POWV and observed a range of susceptibility phenotypes, indicating that host factors other than the well-characterized flavivirus restriction factor Oas1b modulate POWV pathogenesis in CC mice. Among Oas1b -null CC lines, we identified multiple highly susceptible lines (0% survival), including CC071, and a single resistant line (78% survival), CC045. Susceptibility phenotypes generally were concordant among neuroinvasive flaviviruses, although we identified one line, CC006, that was resistant specifically to JEV, suggesting that both pan-flavivirus and virus-specific mechanisms contribute to susceptibility phenotypes in CC mice. We found that POWV replicated to higher titers in bone marrow-derived macrophages from CC071 mice compared to CC045 mice, suggesting that resistance could result from cell-intrinsic restriction of viral replication. Although serum viral loads at 2 days post-infection were equivalent between CC071 and CC045 mice, clearance of POWV from the serum was significantly slower in CC071 mice. Furthermore, CC045 mice had significantly lower viral loads in the brain at 7 days post-infection compared to CC071 mice, suggesting that reduced CNS infection contributes to the resistant phenotype of CC045 mice. IMPORTANCE Neuroinvasive flaviviruses, such as WNV, JEV, and POWV, are transmitted to humans by mosquitoes or ticks, can cause neurologic disease, such as encephalitis, meningitis, and paralysis, and can result in death or long-term sequelae. Although potentially severe, neuroinvasive disease is a rare outcome of flavivirus infection. The factors that determine whether someone develops severe disease after flavivirus infection are not fully understood, but host genetic differences in polymorphic antiviral response genes likely contribute to disease outcome. We evaluated a panel of genetically diverse mice and identified lines with distinct outcomes following infection with POWV. We found that resistance to POWV pathogenesis corresponded to reduced viral replication in macrophages, more rapid clearance of virus in peripheral tissues, and reduced viral infection in the brain. These susceptible and resistant mouse lines will provide a system for investigating the pathogenic mechanisms of POWV and identifying polymorphic host genes that contribute to resistance.

Infectious diseases have shaped the human population genetic structure, and genetic variation influences the susceptibility to many viral diseases. However, a variety of challenges have made the implementation of traditional human Genome-wide Association Studies (GWAS) approaches to study these infectious outcomes challenging. In contrast, mouse models of infectious diseases provide an experimental control and precision, which facilitates analyses and mechanistic studies of the role of genetic variation on infection. Here we use a genetic mapping cross between two distinct Collaborative Cross mouse strains with respect to SARS-CoV disease outcomes. We find several loci control differential disease outcome for a variety of traits in the context of SARS-CoV infection. Importantly, we identify a locus on mouse Chromosome 9 that shows conserved synteny with a human GWAS locus for SARS-CoV-2 severe disease. We follow-up and confirm a role for this locus, and identify two candidate genes, CCR9 and CXCR6 that both play a key role in regulating the severity of SARS-CoV, SARS-CoV-2 and a distantly related bat sarbecovirus disease outcomes. As such we provide a template for using experimental mouse crosses to identify and characterize multitrait loci that regulate pathogenic infectious outcomes across species.

Sarbecovirus (CoV) infections, including Severe Acute Respiratory CoV (SARS-CoV) and SARS-CoV-2, are considerable human threats. Human GWAS studies have recently identified loci associated with variation in SARS-CoV-2 susceptibility. However, genetically tractable models that reproduce human CoV disease outcomes are needed to mechanistically evaluate genetic determinants of CoV susceptibility. We used the Collaborative Cross (CC) and human GWAS datasets to elucidate host susceptibility loci that regulate CoV infections and to identify host quantitative trait loci that modulate severe CoV and pan-CoV disease outcomes including a major disease regulating loci including CCR9. CCR9 ablation resulted in enhanced titer, weight loss, respiratory dysfunction, mortality, and inflammation, providing mechanistic support in mitigating protection from severe SARS-CoV-2 pathogenesis across species. This study represents a comprehensive analysis of susceptibility loci for an entire genus of human pathogens conducted, identifies a large collection of susceptibility loci and candidate genes that regulate multiple aspects type-specific and cross-CoV pathogenesis, and also validates the paradigm of using the CC platform to identify common cross-species susceptibility loci and genes for newly emerging and pre-epidemic viruses.

Two group 2B β-coronaviruses (sarbecoviruses) have caused regional and global epidemics in modern history. The mechanisms of cross protection driven by the sarbecovirus spike, a dominant immunogen, are less clear yet critically important for pan-sarbecovirus vaccine development. We evaluated the mechanisms of cross-sarbecovirus protective immunity using a panel of alphavirus-vectored vaccines covering bat to human strains. While vaccination did not prevent virus replication, it protected against lethal heterologous disease outcomes in both SARS-CoV-2 and clade 2 bat sarbecovirus HKU3-SRBD challenge models. The spike vaccines tested primarily elicited a highly S1-specific homologous neutralizing antibody response with no detectable cross-virus neutralization. We found non-neutralizing antibody functions that mediated cross protection in wild-type mice were mechanistically linked to FcgR4 and spike S2-binding antibodies. Protection was lost in FcR knockout mice, further supporting a model for non-neutralizing, protective antibodies. These data highlight the importance of FcR-mediated cross-protective immune responses in universal pan-sarbecovirus vaccine designs.

Inhibition of the protein kinase CSNK2 with any of 30 specific and selective inhibitors representing different chemotypes, blocked replication of pathogenic human and murine β-coronaviruses. The potency of in-cell CSNK2A target engagement across the set of inhibitors correlated with antiviral activity and genetic knockdown confirmed the essential role of the CSNK2 holoenzyme in β-coronavirus replication. Spike protein uptake was blocked by CSNK2A inhibition, indicating that antiviral activity was due in part to a suppression of viral entry. CSNK2A inhibition may be a viable target for development of new broad spectrum anti-β-coronavirus drugs.

We previously reported that deletion of a 44-nucleotide element in the 3′ untranslated region (UTR) of the Chikungunya virus (CHIKV) genome enhances the virulence of CHIKV infection in mice. Here, we find that while this 44-nucleotide deletion enhances CHIKV fitness in murine embryonic fibroblasts in a manner independent of the type I interferon response, the same mutation decreases viral fitness in C6/36 mosquito cells. Further, the fitness advantage conferred by the UTR deletion in mammalian cells is maintained in vivo in a mouse model of CHIKV dissemination. Finally, SHAPE-MaP analysis of the CHIKV 3′ UTR revealed this 44-nucleotide element forms a distinctive two-stem-loop structure that is ablated in the mutant 3′ UTR without altering additional 3′ UTR RNA secondary structures.