Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the causative agent of the current coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic. A major virulence factor of SARS-CoVs is the nonstructural protein 1 (Nsp1), which suppresses host gene expression by ribosome association. Here, we show that Nsp1 from SARS-CoV-2 binds to the 40S ribosomal subunit, resulting in shutdown of messenger RNA (mRNA) translation both in vitro and in cells. Structural analysis by cryo-electron microscopy of in vitro-reconstituted Nsp1-40S and various native Nsp1-40S and -80S complexes revealed that the Nsp1 C terminus binds to and obstructs the mRNA entry tunnel. Thereby, Nsp1 effectively blocks retinoic acid-inducible gene I-dependent innate immune responses that would otherwise facilitate clearance of the infection. Thus, the structural characterization of the inhibitory mechanism of Nsp1 may aid structure-based drug design against SARS-CoV-2.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) evades most innate immune responses but may still be vulnerable to some. Here, we systematically analyze the impact of SARS-CoV-2 proteins on interferon (IFN) responses and autophagy. We show that SARS-CoV-2 proteins synergize to counteract anti-viral immune responses. For example, Nsp14 targets the type I IFN receptor for lysosomal degradation, ORF3a prevents fusion of autophagosomes and lysosomes, and ORF7a interferes with autophagosome acidification. Most activities are evolutionarily conserved. However, SARS-CoV-2 Nsp15 antagonizes IFN signaling less efficiently than the orthologs of closely related RaTG13-CoV and SARS-CoV-1. Overall, SARS-CoV-2 proteins counteract autophagy and type I IFN more efficiently than type II or III IFN signaling, and infection experiments confirm potent inhibition by IFN-γ and -λ1. Our results define the repertoire and selected mechanisms of SARS-CoV-2 innate immune antagonists but also reveal vulnerability to type II and III IFN that may help to develop safe and effective anti-viral approaches.

Abstract SARS-CoV-2 is the causative agent of the current COVID-19 pandemic. A major virulence factor of SARS-CoVs is the nonstructural protein 1 (Nsp1) which suppresses host gene expression by ribosome association via an unknown mechanism. Here, we show that Nsp1 from SARS-CoV-2 binds to 40S and 80S ribosomes, resulting in shutdown of capped mRNA translation both in vitro and in cells. Structural analysis by cryo-electron microscopy (cryo-EM) of in vitro reconstituted Nsp1-40S and of native human Nsp1-ribosome complexes revealed that the Nsp1 C-terminus binds to and obstructs the mRNA entry tunnel. Thereby, Nsp1 effectively blocks RIG-I-dependent innate immune responses that would otherwise facilitate clearance of the infection. Thus, the structural characterization of the inhibitory mechanism of Nsp1 may aid structure-based drug design against SARS-CoV-2.

Abstract Type-I interferons (IFN-I) are critical mediators of innate control of viral infections, but also drive recruitment of inflammatory cells to sites of infection, a key feature of severe COVID-19. Here, and for the first time, IFN-I signaling was modulated in rhesus macaques (RMs) prior to and during acute SARS-CoV-2 infection using a mutated IFNα2 (IFN-modulator; IFNmod), which has previously been shown to reduce the binding and signaling of endogenous IFN-I. In SARS-CoV-2-infected RMs, IFNmod reduced both antiviral and inflammatory ISGs. Notably, IFNmod treatment resulted in a potent reduction in (i) SARS-CoV-2 viral load in Bronchoalveolar lavage (BAL), upper airways, lung, and hilar lymph nodes; (ii) inflammatory cytokines, chemokines, and CD163+MRC1-inflammatory macrophages in BAL; and (iii) expression of Siglec-1, which enhances SARS-CoV-2 infection and predicts disease severity, on circulating monocytes. In the lung, IFNmod also reduced pathogenesis and attenuated pathways of inflammasome activation and stress response during acute SARS-CoV-2 infection. This study, using an intervention targeting both IFN-α and IFN-β pathways, shows that excessive inflammation driven by type 1 IFN critically contributes to SARS-CoV-2 pathogenesis in RMs, and demonstrates the potential of IFNmod to limit viral replication, SARS-CoV-2 induced inflammation, and COVID-19 severity.

ABSTRACT The innate immune system constitutes a powerful barrier against viral infections. However, it may fail because successful emerging pathogens, like SARS-CoV-2, evolved strategies to counteract it. Here, we systematically assessed the impact of 29 SARS-CoV-2 proteins on viral sensing, type I, II and III interferon (IFN) signaling, autophagy and inflammasome formation. Mechanistic analyses show that autophagy and type I IFN responses are effectively counteracted at different levels. For example, Nsp14 induces loss of the IFN receptor, whereas ORF3a disturbs autophagy at the Golgi/endosome interface. Comparative analyses revealed that antagonism of type I IFN and autophagy is largely conserved, except that SARS-CoV-1 Nsp15 is more potent in counteracting type I IFN than its SARS-CoV-2 ortholog. Altogether, however, SARS-CoV-2 counteracts type I IFN responses and autophagy much more efficiently than type II and III IFN signaling. Consequently, the virus is relatively resistant against exogenous IFN-α/β and autophagy modulation but remains highly vulnerable towards IFN-γ and -λ treatment. In combination, IFN-γ and -λ act synergistically, and drastically reduce SARS-CoV-2 replication at exceedingly low doses. Our results identify ineffective type I and II antagonism as weakness of SARS-CoV-2 that may allow to devise safe and effective anti-viral therapies based on targeted innate immune activation.

To date, five variants of concern (VOCs) of SARS-CoV-2 have emerged that show increased fitness and/or immune evasion. While the continuously evolving escape from humoral immune responses has been analyzed in detail, adaptation of SARS-CoV-2 to human innate immune defenses such as autophagy is less understood. Here, we demonstrate that mutation T9I in the structural envelope (E) protein confers autophagy resistance of Omicron VOCs (BA.1, BA.5 and XBB.1.5) compared to 2020 SARS-CoV-2 or the Delta VOC. Mechanistic analyses revealed that Omicron-associated E T9I shows increased inhibition of autophagic flux and colocalization/interaction with autophagosomes, thus shielding incoming SARS-CoV-2 S pseudotyped virions from autophagy. Rare Omicron isolates carrying ancestral E T9 remain sensitive towards autophagy whereas recombinant early 2020 SARS-CoV-2 expressing E T9I shows increases resistance against autophagy. Our data indicate that the E T9I mutation drives autophagy resistance of the Omicron variants and thus may have contributed to their effective spread.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) causes coronavirus disease 2019 (COVID-19). To identify factors of the respiratory tract that suppress SARS-CoV-2, we screened a peptide/protein library derived from bronchoalveolar lavage, and identified α1-antitrypsin (α1-AT) as specific inhibitor of SARS-CoV-2. α1-AT targets the viral spike protein and blocks SARS-CoV-2 infection of human airway epithelium at physiological concentrations. Our findings show that endogenous α1-AT restricts SARS-CoV-2 and repurposes α1-AT-based drugs for COVID-19 therapy.