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.

Infection-related diabetes can arise as a result of virus-associated β-cell destruction. Clinical data suggest that the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), causing the coronavirus disease 2019 (COVID-19), impairs glucose homoeostasis, but experimental evidence that SARS-CoV-2 can infect pancreatic tissue has been lacking. In the present study, we show that SARS-CoV-2 infects cells of the human exocrine and endocrine pancreas ex vivo and in vivo. We demonstrate that human β-cells express viral entry proteins, and SARS-CoV-2 infects and replicates in cultured human islets. Infection is associated with morphological, transcriptional and functional changes, including reduced numbers of insulin-secretory granules in β-cells and impaired glucose-stimulated insulin secretion. In COVID-19 full-body postmortem examinations, we detected SARS-CoV-2 nucleocapsid protein in pancreatic exocrine cells, and in cells that stain positive for the β-cell marker NKX6.1 and are in close proximity to the islets of Langerhans in all four patients investigated. Our data identify the human pancreas as a target of SARS-CoV-2 infection and suggest that β-cell infection could contribute to the metabolic dysregulation observed in patients with COVID-19.

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.

Interferon-induced transmembrane proteins (IFITMs 1, 2 and 3) are thought to restrict numerous viral pathogens including severe acute respiratory syndrome coronaviruses (SARS-CoVs). However, most evidence comes from single-round pseudovirus infection studies of cells that overexpress IFITMs. Here, we verified that artificial overexpression of IFITMs blocks SARS-CoV-2 infection. Strikingly, however, endogenous IFITM expression was essential for efficient infection of genuine SARS-CoV-2 in human lung cells. Our results indicate that the SARS-CoV-2 Spike protein interacts with IFITMs and hijacks them for efficient viral entry. IFITM proteins were expressed and further induced by interferons in human lung, gut, heart and brain cells. Intriguingly, IFITM-derived peptides and targeting antibodies inhibited SARS-CoV-2 entry and replication in human lung cells, cardiomyocytes and gut organoids. Our results show that IFITM proteins are important cofactors for SARS-CoV-2 infection of human cell types representing in vivo targets for viral transmission, dissemination and pathogenesis and suitable targets for therapeutic approaches.

Gastrointestinal symptoms in COVID-19 are associated with prolonged symptoms and increased severity. We employed human intestinal organoids derived from pluripotent stem cells (PSC-HIOs) to analyze SARS-CoV-2 pathogenesis and to validate efficacy of specific drugs in the gut. Certain, but not all cell types in PSC-HIOs express SARS-CoV-2 entry factors ACE2 and TMPRSS2, rendering them susceptible to SARS-CoV-2 infection. Remdesivir, a promising drug to treat COVID-19, effectively suppressed SARS-CoV-2 infection of PSC-HIOs. In contrast, the histamine-2-blocker famotidine showed no effect. Thus, PSC-HIOs provide an interesting platform to study SARS-CoV-2 infection and to identify or validate drugs.

SUMMARY Recent evidence shows that the Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is highly sensitive to interferons (IFNs). However, the underlying antiviral effectors remain to be defined. Here, we show that Zinc finger antiviral protein (ZAP) that specifically targets CpG dinucleotides in viral RNA sequences restricts SARS-CoV-2. We demonstrate that ZAP and its cofactors KHNYN and TRIM25 are expressed in human lung cells. Type I, II and III IFNs all strongly inhibited SARS-CoV-2 and further induced ZAP expression. Strikingly, SARS-CoV-2 and its closest relatives from bats show the strongest CpG suppression among all known human and bat coronaviruses, respectively. Nevertheless, knock-down of ZAP significantly increased SARS-CoV-2 production in lung cells, particularly upon treatment with IFN-α or IFN-γ. Thus, our results identify ZAP as an effector of the IFN response against SARS-CoV-2, although this pandemic pathogen may be preadapted to the low CpG environment in humans. Highlights SARS-CoV-2 and its closest bat relatives show strong CpG suppression IFN-β, -γ and -λ inhibit SARS-CoV-2 with high efficiency ZAP restricts SARS-CoV-2 and contributes to the antiviral effect of IFNs

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.