During the evolution of SARS-CoV-2 in humans, a D614G substitution in the spike glycoprotein (S) has emerged; virus containing this substitution has become the predominant circulating variant in the COVID-19 pandemic1. However, whether the increasing prevalence of this variant reflects a fitness advantage that improves replication and/or transmission in humans or is merely due to founder effects remains unknown. Here we use isogenic SARS-CoV-2 variants to demonstrate that the variant that contains S(D614G) has enhanced binding to the human cell-surface receptor angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), increased replication in primary human bronchial and nasal airway epithelial cultures as well as in a human ACE2 knock-in mouse model, and markedly increased replication and transmissibility in hamster and ferret models of SARS-CoV-2 infection. Our data show that the D614G substitution in S results in subtle increases in binding and replication in vitro, and provides a real competitive advantage in vivo—particularly during the transmission bottleneck. Our data therefore provide an explanation for the global predominance of the variant that contains S(D614G) among the SARS-CoV-2 viruses that are currently circulating. A SARS-CoV-2 variant containing a D614G substitution in the spike protein shows enhanced binding to human ACE2, increased replication in human cell cultures and a competitive advantage in animal models of infection.

Reverse genetics has been an indispensable tool to gain insights into viral pathogenesis and vaccine development. The genomes of large RNA viruses, such as those from coronaviruses, are cumbersome to clone and manipulate in Escherichia coli owing to the size and occasional instability of the genome1–3. Therefore, an alternative rapid and robust reverse-genetics platform for RNA viruses would benefit the research community. Here we show the full functionality of a yeast-based synthetic genomics platform to genetically reconstruct diverse RNA viruses, including members of the Coronaviridae, Flaviviridae and Pneumoviridae families. Viral subgenomic fragments were generated using viral isolates, cloned viral DNA, clinical samples or synthetic DNA, and these fragments were then reassembled in one step in Saccharomyces cerevisiae using transformation-associated recombination cloning to maintain the genome as a yeast artificial chromosome. T7 RNA polymerase was then used to generate infectious RNA to rescue viable virus. Using this platform, we were able to engineer and generate chemically synthesized clones of the virus, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2)4, which has caused the recent pandemic of coronavirus disease (COVID-19), in only a week after receipt of the synthetic DNA fragments. The technical advance that we describe here facilitates rapid responses to emerging viruses as it enables the real-time generation and functional characterization of evolving RNA virus variants during an outbreak. A yeast-based synthetic genomics platform is used to reconstruct and characterize large RNA viruses from synthetic DNA fragments; this technique will facilitate the rapid analysis of RNA viruses, such as SARS-CoV-2, during an outbreak.

Infection control instructions call for use of alcohol-based hand rub solutions to inactivate severe acute respiratory syndrome coronavirus 2. We determined the virucidal activity of World Health Organization-recommended hand rub formulations, at full strength and multiple dilutions, and of the active ingredients. All disinfectants demonstrated efficient virus inactivation.

Abstract During the evolution of SARS-CoV-2 in humans a D614G substitution in the spike (S) protein emerged and became the predominant circulating variant (S-614G) of the COVID-19 pandemic 1 . However, whether the increasing prevalence of the S-614G variant represents a fitness advantage that improves replication and/or transmission in humans or is merely due to founder effects remains elusive. Here, we generated isogenic SARS-CoV-2 variants and demonstrate that the S-614G variant has (i) enhanced binding to human ACE2, (ii) increased replication in primary human bronchial and nasal airway epithelial cultures as well as in a novel human ACE2 knock-in mouse model, and (iii) markedly increased replication and transmissibility in hamster and ferret models of SARS-CoV-2 infection. Collectively, our data show that while the S-614G substitution results in subtle increases in binding and replication in vitro , it provides a real competitive advantage in vivo , particularly during the transmission bottle neck, providing an explanation for the global predominance of S-614G variant among the SARS-CoV-2 viruses currently circulating.

Abstract Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has spread globally, and the number of cases continues to rise all over the world. Besides humans, the zoonotic origin, as well as intermediate and potential spillback host reservoirs of SARS-CoV-2 are unknown. To circumvent ethical and experimental constraints, and more importantly, to reduce and refine animal experimentation, we employed our airway epithelial cell (AEC) culture repository composed of various domesticated and wildlife animal species to assess their susceptibility to SARS-CoV-2. In this study, we inoculated well-differentiated animal AEC cultures of monkey, cat, ferret, dog, rabbit, pig, cattle, goat, llama, camel, and two neotropical bat species with SARS-CoV-2. We observed that SARS-CoV-2 only replicated efficiently in monkey and cat AEC culture models. Whole-genome sequencing of progeny virus revealed no obvious signs of nucleotide transitions required for SARS-CoV-2 to productively infect monkey and cat epithelial airway cells. Our findings, together with the previously reported human-to-animal spillover events warrants close surveillance to understand the potential role of cats, monkeys, and closely related species as spillback reservoirs for SARS-CoV-2.

Abstract SARS-CoV-2 is a highly contagious respiratory virus and the causative agent for COVID-19. The severity of disease varies from mildly symptomatic to lethal and shows an extraordinary correlation with increasing age, which represents the major risk factor for severe COVID-19 1 . However, the precise pathomechanisms leading to aggravated disease in the elderly are currently unknown. Delayed and insufficient antiviral immune responses early after infection as well as dysregulated and overshooting immunopathological processes late during disease were suggested as possible mechanisms. Here we show that the age-dependent increase of COVID-19 severity is caused by the disruption of a timely and well-coordinated innate and adaptive immune response due to impaired interferon (IFN) responses. To overcome the limitations of mechanistic studies in humans, we generated a mouse model for severe COVID-19 and compared the kinetics of the immune responses in adult and aged mice at different time points after infection. Aggravated disease in aged mice was characterized by a diminished IFN-γ response and excessive virus replication. Accordingly, adult IFN-γ receptor-deficient mice phenocopied the age-related disease severity and supplementation of IFN-γ reversed the increased disease susceptibility of aged mice. Mimicking impaired type I IFN immunity in adult and aged mice, a second major risk factor for severe COVID-19 2–4 , we found that therapeutic treatment with IFN-λ in adult and a combinatorial treatment with IFN-γ and IFN-λ in aged Ifnar1 -/- mice was highly efficient in protecting against severe disease. Our findings provide an explanation for the age-dependent disease severity of COVID-19 and clarify the nonredundant antiviral functions of type I, II and III IFNs during SARS-CoV-2 infection in an age-dependent manner. Based on our data, we suggest that highly vulnerable individuals combining both risk factors, advanced age and an impaired type I IFN immunity, may greatly benefit from immunotherapy combining IFN-γ and IFN-λ.

ABSTRACT Epidemiological data demonstrate that SARS-CoV-2 variants of concern (VOC) B.1.1.7 and B.1.617.2 are more transmissible and infections are associated with a higher mortality than non-VOC virus infections. Phenotypic properties underlying their enhanced spread in the human population remain unknown. B.1.1.7 virus isolates displayed inferior or equivalent spread in most cell lines and primary cells compared to an ancestral B.1 SARS-CoV-2, and were outcompeted by the latter. Lower infectivity and delayed entry kinetics of B.1.1.7 viruses were accompanied by inefficient proteolytic processing of spike. B.1.1.7 viruses failed to escape from neutralizing antibodies, but slightly dampened induction of innate immunity. The bronchial cell line NCI-H1299 supported 24- and 595-fold increased growth of B.1.1.7 and B.1.617.2 viruses, respectively, in the absence of detectable ACE2 expression and in a spike-determined fashion. Superior spread in NCI-H1299 cells suggests that VOCs employ a distinct set of cellular cofactors that may be unavailable in standard cell lines.

Abstract Next generation sequencing has revealed the presence of many RNA viruses in animal reservoir hosts, including many closely related to known human pathogens. Despite their zoonotic potential, many of these viruses remain understudied due to not yet being cultured. While reverse genetic systems can facilitate virus rescue, this is often hindered by missing viral genome ends. A prime example is Lloviu virus (LLOV), an uncultured filovirus that is closely related to the highly pathogenic Ebola virus. Using minigenome systems, we complemented the missing LLOV genomic ends and identified cis-acting elements required for LLOV replication that were lacking in the published sequence. We leveraged these data to generate recombinant full-length LLOV clones and rescue infectious virus. Recombinant LLOV (rLLOV) displays typical filovirus features, as shown by electron microscopy. Known target cells of Ebola virus, including macrophages and hepatocytes, are permissive to rLLOV infection, suggesting that humans could be potential hosts. However, inflammatory responses in human macrophages, a hallmark of Ebola virus disease, are not induced by rLLOV. We also used rLLOV to test antivirals targeting multiple facets of the replication cycle. Rescue of uncultured viruses of pathogenic concern represents a valuable tool in our arsenal against pandemic preparedness.

The recent emergence of Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) causing COVID-19 is a major burden for health care systems worldwide. It is important to address if the current infection control instructions based on active ingredients are sufficient. We therefore determined the virucidal activity of two alcohol-based hand rub solutions for hand disinfection recommended by the World Health Organization (WHO), as well as commercially available alcohols. Efficient SARS-CoV-2 inactivation was demonstrated for all tested alcohol-based disinfectants. These findings show the successful inactivation of SARS-CoV-2 for the first time and provide confidence in its use for the control of COVID-19.

Reverse genetics has been an indispensable tool revolutionising our insights into viral pathogenesis and vaccine development. Large RNA virus genomes, such as from Coronaviruses, are cumbersome to clone and to manipulate in E. coli hosts due to size and occasional instability. Therefore, an alternative rapid and robust reverse genetics platform for RNA viruses would benefit the research community. Here we show the full functionality of a yeast-based synthetic genomics platform for the genetic reconstruction of diverse RNA viruses, including members of the Coronaviridae, Flaviviridae and Paramyxoviridae families. Viral subgenomic fragments were generated using viral isolates, cloned viral DNA, clinical samples, or synthetic DNA, and reassembled in one step in Saccharomyces cerevisiae using transformation associated recombination (TAR) cloning to maintain the genome as a yeast artificial chromosome (YAC). T7-RNA polymerase has been used to generate infectious RNA, which was then used to rescue viable virus. Based on this platform we have been able to engineer and resurrect chemically-synthetized clones of the recent epidemic SARS-CoV-2 in only a week after receipt of the synthetic DNA fragments. The technical advance we describe here allows to rapidly responding to emerging viruses as it enables the generation and functional characterization of evolving RNA virus variants - in real-time - during an outbreak.