Abstract SARS-CoV-2 is a novel virus that has rapidly spread, causing a global pandemic. In the majority of infected patients, SARS-CoV-2 leads to mild disease; however, in a significant proportion of infections, individuals develop severe symptoms that can lead to permanent lung damage or death. These severe cases are often associated with high levels of pro-inflammatory cytokines and low antiviral responses which can lead to systemic complications. We have evaluated transcriptional and cytokine secretion profiles from infected cell cultures and detected a distinct upregulation of inflammatory cytokines that parallels samples taken from infected patients. Building on these observations, we found a specific activation of NF-κB and a block of IRF3 nuclear translocation in SARS-CoV-2 infected cells. This NF-κB response is mediated by cGAS-STING activation and could be attenuated through STING targeting drugs. Our results show that SARS-CoV-2 curates a cGAS-STING mediated NF-κB driven inflammatory immune response in epithelial cells that likely contributes to inflammatory responses seen in patients and might be a target to suppress severe disease symptoms.

ABSTRACT Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) causes COVID-19. SARS-CoV-2 relies on cellular RNA-binding proteins (RBPs) to replicate and spread, although which RBPs control SARS-CoV-2 infection remains largely unknown. Here, we employ a multi-omic approach to identify systematically and comprehensively which cellular and viral RBPs are involved in SARS-CoV-2 infection. We reveal that the cellular RNA-bound proteome is remodelled upon SARS-CoV-2 infection, having widespread effects on RNA metabolic pathways, non-canonical RBPs and antiviral factors. Moreover, we apply a new method to identify the proteins that directly interact with viral RNA, uncovering dozens of cellular RBPs and six viral proteins. Amongst them, several components of the tRNA ligase complex, which we show regulate SARS-CoV-2 infection. Furthermore, we discover that available drugs targeting host RBPs that interact with SARS-CoV-2 RNA inhibit infection. Collectively, our results uncover a new universe of host-virus interactions with potential for new antiviral therapies against COVID-19.

ABSTRACT Two proteases produced by the SARS-CoV-2 virus, M pro and PL pro , are essential for viral replication and have become the focus of drug development programs for treatment of COVID-19. We screened a highly focused library of compounds containing covalent warheads designed to target cysteine proteases to identify new lead scaffolds for both M pro and PL pro proteases. These efforts identified a small number of hits for the M pro protease and no viable hits for the PL pro protease. Of the M pro hits identified as inhibitors of the purified recombinant protease, only two compounds inhibited viral infectivity in cellular infection assays. However, we observed a substantial drop in antiviral potency upon expression of TMPRSS2, a transmembrane serine protease that acts in an alternative viral entry pathway to the lysosomal cathepsins. This loss of potency is explained by the fact that our lead M pro inhibitors are also potent inhibitors of host cell cysteine cathepsins. To determine if this is a general property of M pro inhibitors, we evaluated several recently reported compounds and found that they are also effective inhibitors of purified human cathepsin L and B and showed similar loss in activity in cells expressing TMPRSS2. Our results highlight the challenges of targeting M pro and PL pro proteases and demonstrate the need to carefully assess selectivity of SARS-CoV-2 protease inhibitors to prevent clinical advancement of compounds that function through inhibition of a redundant viral entry pathway.

Abstract Coronavirus replication is associated with the remodeling of cellular membranes resulting in the formation of double-membrane vesicles (DMVs). Recently, a pore spanning DMV was identified as a putative portal for viral RNA transcription and replication products providing a novel target for antiviral intervention. However, the exact components and the structure of the SARS-CoV-2 pore remain to be determined. Here, we investigate the structure of DMV pores by in situ cryo-electron tomography combined with subtomogram averaging. We reveal non-structural proteins (nsp) 3 and 4 as minimal components forming a DMV spanning pore and show that nsp3 Ubl1-Ubl2 domains are critical for inducing membrane curvature and DMV formation. Altogether, SARS-CoV-2 nsp3-4 has a dual role by driving the biogenesis of replication organelles and forming DMV-spanning replicopores. One-Sentence Summary Biogenesis of SARS-CoV-2 replication organelles is driven by nsp3-4 constituting the double-membrane vesicle spanning pore.

Abstract Double membrane vesicles (DMVs) are used as replication organelles by phylogenetically and biologically distant pathogenic RNA viruses such as hepatitis C virus (HCV) and severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2). Viral DMVs are morphologically analogous to DMVs formed during autophagy, and although the proteins required for DMV formation are extensively studied, the lipids driving their biogenesis are largely unknown. Here we show that production of the lipid phosphatidic acid (PA) by acylglycerolphosphate acyltransferase (AGPAT) 1 and 2 in the ER is important for DMV biogenesis in viral replication and autophagy. Using DMVs in HCV-replicating cells as model, we found that AGPATs are recruited to and critically contribute to HCV replication and DMV formation. AGPAT1/2 double knockout also impaired SARS-CoV-2 replication and the formation of autophagosome-like structures. By using correlative light and electron microscopy, we observed the relocalization of AGPAT proteins to HCV and SARS-CoV-2 induced DMVs. In addition, an intracellular PA sensor accumulated at viral DMV formation sites, consistent with elevated levels of PA in fractions of purified DMVs analyzed by lipidomics. Apart from AGPATs, PA is generated by alternative pathways via phosphotidylcholine (PC) and diacylglycerol (DAG). Pharmacological inhibition of these synthesis pathways also impaired HCV and SARS-CoV-2 replication as well as formation of autophagosome-like DMVs. These data identify PA as an important lipid used for replication organelle formation by HCV and SARS-CoV-2, two phylogenetically disparate viruses causing very different diseases, i.e. chronic liver disease and COVID-19, respectively. In addition, our data argue that host-targeting therapy aiming at PA synthesis pathways might be suitable to attenuate replication of these viruses. One Sentence Summary Phosphatidic acid is important for the formation of double membrane vesicles, serving as replication organelles of hepatitis C virus and SARS-CoV-2, and offering a possible host-targeting strategy to treat SARS-CoV-2 infection.

ABSTRACT Objective Hepatitis A virus (HAV) infections are considered not to trigger an innate immune response in vivo , in contrast to hepatitis C virus (HCV). This lack of immune induction has been imputed to strong immune counteraction by HAV proteases 3CD and 3ABC. We aimed at elucidating the mechanisms of innate immune induction and counteraction by HAV and HCV in vivo and in vitro . Design uPA-SCID mice with humanized liver were infected with HAV and HCV. Hepatic cell culture models were used to assess HAV and HCV sensing by TLR3 and RIG-I/MDA5, respectively. Cleavage of the adaptor proteins TRIF and MAVS was analyzed by transient and stable expression of HAV and HCV proteases and virus infection. Results We detected similar levels of Interferon stimulated genes (ISGs) induction in hepatocytes of HAV and HCV infected human liver chimeric mice. In cell culture, HAV induced ISGs exclusively upon sensing by MDA5 and dependent on LGP2. TRIF and MAVS were only partially cleaved by HAV 3ABC and 3CD, not sufficiently to abrogate signalling. In contrast, HCV NS3-4A efficiently degraded MAVS, as previously reported, whereas TRIF was not cleaved. Conclusions HAV induces an innate immune response in hepatocytes via MDA5/LGP2, with limited control of both pathways by proteolytic cleavage. HCV activates TLR3 and lacks TRIF cleavage, suggesting that this pathway mainly contributes to HCV induced antiviral response in hepatocytes. Our results shed new light on induction and counteraction of innate immunity by HAV and HCV and their potential contribution to clearance and persistence. SIGNIFICANCE OF THIS STUDY What is already known on this topic? — Despite sharing biological and molecular similarities, HAV infections are always cleared while HCV infections persist in most cases. — In infected chimpanzees HAV does not trigger a strong innate immune response, as opposed to HCV. This has been imputed to the action of HAV proteases abrogating the signalling pathways. — Physiological in vitro and in vivo models, based on human hepatocytes, to assess HAV and HCV mechanisms of induction and interference of innate immunity are still missing. What this study adds — HAV induces an innate immune response in vitro and in vivo , in systems with intact signalling pathways and devoid of adaptive immunity. — HAV 3ABC and 3CD proteases do not abolish the host innate immune response. — HCV NS3-4A protease disrupts the RLRs pathways, but cannot cleave TRIF and has no impact on TLR3 response. How this study might affect research, practice or policy — This study offers a comprehensive, side-by-side investigation on HAV and HCV infections in physiological models which recapitulate a cytokine response in the human liver, and allows a precise assessment of the viral interference related to the function of the respective signalling pathways. — Our results elucidate mechanisms, so far controversial or poorly investigated, thus contributing to our understanding of HAV clearance and HCV persistence.

Abstract Cell invasion is an initiating event during tumor cell metastasis and an essential process during development. A screen of C. elegans orthologs of genes over-expressed in invasive human melanoma cells has identified several components of the conserved DNA pre-replication complex (pre-RC) as positive regulators of anchor cell (AC) invasion. The pre-RC functions cell-autonomously in the G1-arrested AC to promote invasion, independently of its role in licensing DNA replication origins in proliferating cells. While the helicase activity of the pre-RC is necessary for AC invasion, the downstream acting DNA replication initiation factors are not required. The pre-RC promotes the invasive fate by regulating the expression of extracellular matrix genes and components of the PI3K signaling pathway. Increasing PI3K pathway activity partially suppressed the AC invasion defects caused by pre-RC depletion, suggesting that the PI3K pathway is one critical pre-RC target. We propose that the pre-RC acts in the non-proliferating AC as a transcriptional regulator that facilitates the switch to an invasive phenotype.

Summary SARS-CoV-2 is an unprecedented worldwide health problem that requires concerted and global approaches to better understand the virus in order to develop novel therapeutic approaches to stop the COVID-19 pandemic and to better prepare against potential future emergence of novel pandemic viruses. Although SARS-CoV-2 primarily targets cells of the lung epithelium causing respiratory infection and pathologies, there is growing evidence that the intestinal epithelium is also infected. However, the importance of the enteric phase of SARS-CoV-2 for virus-induced pathologies, spreading and prognosis remains unknown. Here, using both colon-derived cell lines and primary non-transformed colon organoids, we engage in the first comprehensive analysis of SARS-CoV-2 lifecycle in human intestinal epithelial cells. Our results demonstrate that human intestinal epithelial cells fully support SARS-CoV-2 infection, replication and production of infectious de-novo virus particles. Importantly, we identified intestinal epithelial cells as the best culture model to propagate SARS-CoV-2. We found that viral infection elicited an extremely robust intrinsic immune response where, interestingly, type III interferon mediated response was significantly more efficient at controlling SARS-CoV-2 replication and spread compared to type I interferon. Taken together, our data demonstrate that human intestinal epithelial cells are a productive site of SARS-CoV-2 replication and suggest that the enteric phase of SARS-CoV-2 may participate in the pathologies observed in COVID-19 patients by contributing in increasing patient viremia and by fueling an exacerbated cytokine response.

Fatty acyl-CoA reductase 1 (Far1) is an ubiquitously expressed peroxisomal membrane protein generating fatty alcohols required for the biosynthesis of ether lipids. Lipid droplet localization of human Far1 was observed by fluorescence microscopy under conditions of increased triglyceride synthesis in tissue culture cells. This unexpected finding was supported further by correlative light electron microscopy and subcellular fractionation. Selective permeabilization and N-glycosylation tagging suggest that Far1 is able to assume two different membrane topologies, differing in the orientation of the short hydrophilic C-terminus towards the lumen or the cytosol, respectively. Two closely spaced hydrophobic domains are contained within the C-terminal region. When analyzed separately, the second domain was sufficient for the localization of a fluorescent reporter to lipid droplets. Targeting of Far1 to lipid droplets was not impaired in either pex19 or TRC40/ASNA1 CRISPR/Cas9 knockout cells. In conclusion, our data suggest that Far1 is a novel member of the rather exclusive group of dual topology membrane proteins. At the same time, Far1 shows lipid metabolism-dependent differential subcellular localizations to peroxisomes and lipid droplets.

Abstract Hepatitis C virus (HCV) is highly diverse and grouped into eight genotypes (gts). Infectious cell culture models are limited to a few subtypes, that do not include the highly prevalent gt1b, hampering the development of prophylactic vaccines. A consensus gt1b genome (termed GLT1) was generated from an HCV infected liver-transplanted patient. GLT1 replicated to an outstanding efficiency in Huh7 cells upon SEC14L2 expression, by use of replication enhancing mutations or with a previously developed inhibitor-based regimen. RNA replication levels almost reached JFH-1, but full-length genomes failed to produce detectable amounts of infectious virus. Long-term passaging led to the adaptation of a genome carrying 21 mutations and concomitant production of high levels of transmissible infectivity (GLT1cc). During the adaptation, GLT1 spread in the culture even in absence of detectable amounts of free virus, but cell-to-cell spreading efficiency was not higher as in other isolates like JFH-1. Mechanistically, genome replication and particle production efficiency were enhanced by adaptation, while cell entry competence of HCV pseudoparticles was not affected. Furthermore, GLT1cc retained the ability to replicate in human liver chimeric mice, which was critically dependent on a mutation in domain 3 of nonstructural protein NS5A. Over the course of infection, only one mutation in the surface glycoprotein E2 consistently reverted to wildtype, facilitating assembly in cell culture but potentially affecting CD81 interaction in vivo. Overall, GLT1cc is the first efficient gt1b infectious cell culture model, paving the road to a rationale-based establishment of new infectious HCV isolates and represents an important novel tool for the development of prophylactic HCV vaccines. Author summary Chronic HCV infections remain an important global health issue, despite the availability of highly efficient therapies. So far no protective vaccine is available, which is in part due to the high divergence of HCV variants and the limited possibly to mirror this genetic diversity in cell culture. It has been proven particularly difficult to grow infectious virus in cell culture, requiring extensive adaptation with multiple mutations, which in turn affect infectivity of the adapted variants in vivo. Here we have isolated a genotype 1b variant from a very high titer serum of a patient after liver transplantation (German Liver Transplant 1, GLT1), showing an outstanding genome replication efficiency in cultured hepatoma cells. We were able to adapt this isolate to production of infectious virus, therefore generating the first efficient full-replication cycle cell culture model for highly prevalent HCV genotype 1b. Despite multiple mutations required, adapted GLT1 was still infectious in vivo. GLT1 therefore is not only an important novel development facilitating future efforts in vaccine development. It also provides novel perspectives towards our understanding how liver transplantation drives the evolution of viral isolates with high replication capacity, which might contribute to direct pathogenesis of HCV infection.