ABSTRACT Replicon-based technologies were used to develop reagents and assays for advanced drug discovery efforts against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), and for examining all facets of the SARS-CoV-2 replication cycle at reduced biocontainment level. Specifically: a) 21 replicons were cloned in bacterial artificial chromosomes (BACs) and delivered as transfectable plasmid DNA or transcribed RNA in various cell types. Replicons carrying mutations that affect the activity or antiviral susceptibility of SARS-CoV-2 enzymes were used to establish utility for mechanistic studies while reducing the community risks associated with gain-of-function studies in fully infectious virus. b) A BHK-21 stable cell line harboring SARS-CoV-2 replicon was generated and characterized in robust high/ultra-high throughput assays of antiviral efficacy with orthogonal SARS-CoV-2 replication reporter genes (Nano luciferase and enhanced green fluorescent protein-eGFP); the estimated antiviral potencies in the fully infectious SARS-CoV-2 system and in the transient or stable replicon systems were similar. HEK293 and Calu1 stable cell lines expressing SARS-CoV-2 replicon have also been prepared. Finally, c) we generated trans-encapsidated replicons by co-expression with SARS-CoV-2 structural proteins, thus producing single-round infectious SARS-CoV-2 virus-like particles that are able to transduce susceptible cell types and have expanded utility to enable study of virion assembly and entry into target cells. Hence, these SARS-CoV-2 replicon-based reagents include a novel approach to replicon-harboring cell line generation and are valuable tools that can be used at lower biosafety level (BSL2) for drug discovery efforts, characterization of SARS-CoV-2 and variant evolution in the COVID-19 pandemic, mechanisms of inhibition and resistance, and studies on the role of SARS-CoV-2 genes and host dependency factors.

Abstract Tenofovir disoproxil fumarate (TDF) and islatravir (ISL, 4’-ethynyl-2-fluoro-2’-deoxyadensine, or MK-8591) are highly potent nucleoside reverse transcriptase inhibitors. Resistance to TDF and ISL is conferred by K65R and M184V, respectively. Furthermore, K65R and M184V increase sensitivity to ISL and TDF, respectively. Therefore, these two nucleoside analogs have opposing resistance profiles and could present a high genetic barrier to resistance. To explore resistance to TDF and ISL in combination, we performed passaging experiments with HIV-1 WT, K65R, or M184V in the presence of ISL and TDF. We identified K65R, M184V, and S68G/N mutations. The mutant most resistant to ISL was S68N/M184V, yet it remained susceptible to TDF. To further confirm our cellular findings, we implemented an endogenous reverse transcriptase assay to verify in vitro potency. To better understand the impact of these resistance mutations in the context of global infection, we determined potency of ISL and TDF against HIV subtypes A, B, C, D, and circulating recombinant forms (CRF) 01_AE and 02_AG with and without resistance mutations. In all isolates studied, we found K65R imparted hypersensitivity to ISL whereas M184V conferred resistance. We demonstrated that the S68G polymorphism can enhance fitness of drug-resistant mutants in some genetic backgrounds. Collectively, the data suggest that the opposing resistance profiles of ISL and TDF suggest that a combination of the two drugs could be a promising drug regimen for the treatment of patients infected with any HIV-1 subtype, including those who have failed 3TC/FTC-based therapies.

ABSTRACT Mpox virus (MPXV) is an orthopoxvirus that causes the human disease mpox, which is characterized by fever, myalgia, and formation of rashes and lesions, and which garnered worldwide attention due to a global outbreak in 2022. In response to the outbreak, the antivirals tecovirimat, cidofovir, and brincidofovir have been used as emergency treatment for mpox. However, because of drug resistance and toxicity risks with those compounds, there is still a need for additional antivirals to treat orthopoxvirus diseases. Since cidofovir is a nucleoside analogue, we investigated a selection of other such compounds for antiviral activity against orthopoxviruses. We developed in vitro screening assays using fluorescent strains of vaccinia virus (VACV) and modified vaccinia Ankara (MVA) to measure the antiviral potency of test compounds. We found that tenofovir alafenamide and adefovir dipixovil, both acyclic phosphonates, had strong potential combinations of anti-orthopoxvirus activity and low toxicity after testing them against MVA and VACV, with EC 50 values in the single digit micromolar and nanomolar range, while other potential hits included trifluridine and two arabinosides. We then recapitulated the results with MPXV using a luciferase-based assay. These data reinforce the interest of repurposing nucleoside analogues as antivirals to treat poxvirus infections and provide a basis for high throughput screening and mechanistic and antiviral resistance studies.

Abstract The antiviral component of Paxlovid, nirmatrelvir (NIR), forms a covalent bond with Cys145 of SARS-CoV-2 nsp5. To explore NIR resistance we designed mutations to impair binding of NIR over substrate. Using 12 Omicron (BA.1) and WA.1 SARS-CoV-2 replicons, cell-based complementation and enzymatic assays, we showed that in both strains, E166V imparted high NIR resistance (∼55-fold), with major decrease in WA1 replicon fitness (∼20-fold), but not BA.1 (∼2-fold). WA1 replicon fitness was restored by L50F. These differences may contribute to a potentially lower barrier to resistance in Omicron than WA1. E166V is rare in untreated patients, albeit more prevalent in paxlovid-treated EPIC-HR clinical trial patients. Importantly, NIR-resistant replicons with E166V or E166V/L50F remained susceptible to a) the flexible GC376, and b) PF-00835231, which forms additional interactions. Molecular dynamics simulations show steric clashes between the rigid and bulky NIR t-butyl and β-branched V166 distancing the NIR warhead from its Cys145 target. In contrast, GC376, through “wiggling and jiggling” accommodates V166 and still covalently binds Cys145. PF-00835231 uses its strategically positioned methoxy-indole to form a β-sheet and overcome E166V. Drug design based on strategic flexibility and main chain-targeting may help develop second-generation nsp5-targeting antivirals efficient against NIR-resistant viruses.

Abstract HIV-1 encodes an envelope glycoprotein (Env) that contains a long cytoplasmic tail (CT) harboring trafficking motifs implicated in Env incorporation into virus particles and viral transmission. In most physiologically relevant cell types, the gp41 CT is required for HIV-1 replication, but in the MT-4 T-cell line the gp41 CT is not required for a spreading infection. To help elucidate the role of the gp41 CT in HIV-1 transmission, in this study we investigated the viral and cellular factors that contribute to the permissivity of MT-4 to gp41 CT truncation. We found that the kinetics of HIV-1 production are faster in MT-4 than in the other T-cell lines tested, but MT-4 express equivalent amounts of HIV-1 proteins on a per-cell basis relative to cells not permissive to CT truncation. MT-4 express higher levels of plasma-membrane-associated Env than non-permissive cells and Env internalization from the plasma membrane is slower compared to another T-cell line, SupT1. Paradoxically, despite the high levels of Env on the surface of MT-4, two-fold less Env is incorporated into virus particles in MT-4 compared to SupT1. Cell-to-cell transmission between co-cultured 293T and MT-4 is higher than in co-cultures of 293T with most other T-cell lines tested, indicating that MT-4 are highly susceptible to this mode of infection. These data help to clarify the long-standing question of how MT-4 cells overcome the requirement for the HIV-1 gp41 CT and support a role for gp41 CT-dependent trafficking in Env incorporation and cell-to-cell transmission in physiologically relevant cell lines. Importance The HIV-1 Env cytoplasmic tail (CT) is required for efficient Env incorporation into nascent particles and viral transmission in primary CD4 + T cells. The MT-4 T-cell line has been reported to support multiple rounds of infection of HIV-1 encoding a gp41 CT truncation. Uncovering the underlying mechanism of MT-4 T-cell line permissivity to gp41 CT truncation would provide key insights into the role of the gp41 CT in HIV-1 transmission. This study reveals that multiple factors contribute to the unique ability of a gp41 CT truncation mutant to spread in cultures of MT-4 cells. The lack of a requirement for the gp41 CT in MT-4 is associated with the combined effects of rapid HIV-1 protein production, high levels of cell-surface Env expression, and increased susceptibility to cell-to-cell transmission compared to non-permissive cells.

4’-ethynyl-2-fluoro-2’-deoxyadenosine (EFdA, MK-8591, islatravir) is a nucleoside reverse transcriptase translocation inhibitor (NRTTI) with exceptional potency against WT and drug-resistant HIV strains. However, HIV resistance to EFdA is not well characterized. We therefore developed resistance to EFdA by serial passages using progressively increasing concentrations of EFdA. The starting virus was either WT or clinically relevant NRTI-resistant viruses K65R, M184V, and D67N/K70R/T215F/K219Q). In all cases, the selected mutations included M184V. Additional mutations in the RT connection domain (R358K and E399K) and one mutation in the RNase H domain (A502V) were noted. Site-specific mutagenesis validated the role for M184V as the primary determinant for resistance to EFdA; none of the connection domain mutations contributed significantly to phenotypic resistance to EFdA. A novel EFdA resistance mutation was also observed in the background of M184V. The A114S/M184V combination of mutations imparted higher resistance to EFdA (~24-fold) than M184V (−8-fold) or A114S (~2-fold) alone. Virus fitness data suggested that A114S affects HIV fitness by itself and in the presence of M184V. This is consistent with biochemical experiments that showed decreases in the enzymatic efficiency (k cat /K m ) of WT RT vs. A114S (2.1-fold) and A114S/M184V/502V (6.5-fold), whereas there was no significant effect of A502V on RT or virus fitness. The observed EFdA resistance of M184V by itself and in combination with A114S combined with the strong published in vitro and in vivo data, confirm that EFdA is an excellent candidate as a potential HIV therapeutic.