Coronaviruses, including SARS-CoV-2 the etiological agent of COVID-19 disease, have caused multiple epidemic and pandemic outbreaks in the past 20 years1-3. With no vaccines, and only recently developed antiviral therapeutics, we are ill equipped to handle coronavirus outbreaks4. A better understanding of the molecular mechanisms that regulate coronavirus replication and pathogenesis is needed to guide the development of new antiviral therapeutics and vaccines. RNA secondary structures play critical roles in multiple aspects of coronavirus replication, but the extent and conservation of RNA secondary structure across coronavirus genomes is unknown5. Here, we define highly structured RNA regions throughout the MERS-CoV, SARS-CoV, and SARS-CoV-2 genomes. We find that highly stable RNA structures are pervasive throughout coronavirus genomes, and are conserved between the SARS-like CoV. Our data suggests that selective pressure helps preserve RNA secondary structure in coronavirus genomes, suggesting that these structures may play important roles in virus replication and pathogenesis. Thus, disruption of conserved RNA secondary structures could be a novel strategy for the generation of attenuated SARS-CoV-2 vaccines for use against the current COVID-19 pandemic.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) emerged in 2019 as the causative agent of the novel pandemic viral disease COVID-19. With no approved therapies, this pandemic illustrates the urgent need for safe, broad-spectrum antiviral countermeasures against SARS-CoV-2 and future emerging CoVs. We report that remdesivir (RDV), a monophosphoramidate prodrug of an adenosine analog, potently inhibits SARS-CoV-2 replication in human lung cells and primary human airway epithelial cultures (EC 50 = 0.01 μM). Weaker activity was observed in Vero E6 cells (EC 50 = 1.65 μM) due to their low capacity to metabolize RDV. To rapidly evaluate in vivo efficacy, we engineered a chimeric SARS-CoV encoding the viral target of RDV, the RNA-dependent RNA polymerase, of SARS-CoV-2. In mice infected with chimeric virus, therapeutic RDV administration diminished lung viral load and improved pulmonary function as compared to vehicle treated animals. These data provide evidence that RDV is potently active against SARS-CoV-2 in vitro and in vivo , supporting its further clinical testing for treatment of COVID-19.

Sarbecovirus (CoV) infections, including Severe Acute Respiratory CoV (SARS-CoV) and SARS-CoV-2, are considerable human threats. Human GWAS studies have recently identified loci associated with variation in SARS-CoV-2 susceptibility. However, genetically tractable models that reproduce human CoV disease outcomes are needed to mechanistically evaluate genetic determinants of CoV susceptibility. We used the Collaborative Cross (CC) and human GWAS datasets to elucidate host susceptibility loci that regulate CoV infections and to identify host quantitative trait loci that modulate severe CoV and pan-CoV disease outcomes including a major disease regulating loci including CCR9. CCR9 ablation resulted in enhanced titer, weight loss, respiratory dysfunction, mortality, and inflammation, providing mechanistic support in mitigating protection from severe SARS-CoV-2 pathogenesis across species. This study represents a comprehensive analysis of susceptibility loci for an entire genus of human pathogens conducted, identifies a large collection of susceptibility loci and candidate genes that regulate multiple aspects type-specific and cross-CoV pathogenesis, and also validates the paradigm of using the CC platform to identify common cross-species susceptibility loci and genes for newly emerging and pre-epidemic viruses.

Infectious diseases have shaped the human population genetic structure, and genetic variation influences the susceptibility to many viral diseases. However, a variety of challenges have made the implementation of traditional human Genome-wide Association Studies (GWAS) approaches to study these infectious outcomes challenging. In contrast, mouse models of infectious diseases provide an experimental control and precision, which facilitates analyses and mechanistic studies of the role of genetic variation on infection. Here we use a genetic mapping cross between two distinct Collaborative Cross mouse strains with respect to SARS-CoV disease outcomes. We find several loci control differential disease outcome for a variety of traits in the context of SARS-CoV infection. Importantly, we identify a locus on mouse Chromosome 9 that shows conserved synteny with a human GWAS locus for SARS-CoV-2 severe disease. We follow-up and confirm a role for this locus, and identify two candidate genes, CCR9 and CXCR6 that both play a key role in regulating the severity of SARS-CoV, SARS-CoV-2 and a distantly related bat sarbecovirus disease outcomes. As such we provide a template for using experimental mouse crosses to identify and characterize multitrait loci that regulate pathogenic infectious outcomes across species.

We have developed a novel class of peptidomimetic inhibitors targeting several host cell human serine proteases including transmembrane protease serine 2 (TMPRSS2), matriptase and hepsin. TMPRSS2 is a membrane associated protease which is highly expressed in the upper and lower respiratory tract and is utilized by SARS-CoV-2 and other viruses to proteolytically process their glycoproteins, enabling host cell receptor binding, entry, replication, and dissemination of new virion particles. We have previously shown that compound MM3122 exhibited sub nanomolar potency against all three proteases and displayed potent antiviral effects against SARS-CoV-2 in a cell-viability assay. Herein, we demonstrate that MM3122 potently inhibits viral replication in human lung epithelial cells and is also effective against the EG.5.1 variant of SARS-CoV-2. Further, we have evaluated MM3122 in a mouse model of COVID-19 and have demonstrated that MM3122 administered intraperitoneally (IP) before (prophylactic) or after (therapeutic) SARS-CoV-2 infection had significant protective effects against weight loss and lung congestion, and reduced pathology. Amelioration of COVID-19 disease was associated with a reduction in pro-inflammatory cytokines and chemokines production after SARS-CoV-2 infection. Prophylactic, but not therapeutic, administration of MM3122 also reduced virus titers in the lungs of SARS-CoV-2 infected mice. Therefore, MM3122 is a promising lead candidate small molecule drug for the treatment and prevention of infections caused by SARS-CoV-2 and other coronaviruses.SARS-CoV-2 and other emerging RNA coronaviruses are a present and future threat in causing widespread endemic and pandemic infection and disease. In this paper, we have shown that the novel host-cell protease inhibitor, MM3122, blocks SARS-CoV-2 viral replication and is efficacious as both a prophylactic and therapeutic drug for the treatment of COVID-19 in mice. Targeting host proteins and pathways in antiviral therapy is an underexplored area of research but this approach promises to avoid drug resistance by the virus, which is common in current antiviral treatments.

With an ongoing threat posed by circulating zoonotic strains, new strategies are required to prepare for the next emergent coronavirus (CoV). Previously, groups had targeted conserved coronavirus proteins as a strategy to generate live-attenuated vaccine strains against current and future CoVs. With this in mind, we explored whether manipulation of CoV NSP16, a conserved 2'O methyltransferase (MTase), could provide a broad attenuation platform against future emergent strains. Using the SARS-CoV mouse model, a NSP16 mutant vaccine was evaluated for protection from heterologous challenge, efficacy in the aging host, and potential for reversion to pathogenesis. Despite some success, concerns for virulence in the aged and potential for reversion makes targeting NSP16 alone an untenable approach. However, combining a 2'O MTase mutation with a previously described CoV fidelity mutant produced a vaccine strain capable of protection from heterologous virus challenge, efficacy in aged mice, and no evidence for reversion. Together, the results indicate that targeting the CoV 2'O MTase in parallel with other conserved attenuating mutations may provide a platform strategy for rapidly generating live-attenuated coronavirus vaccines.

Traditionally, the emergence of coronaviruses (CoVs) has been attributed to a gain in receptor binding in a new host. Our previous work with SARS-like viruses argued that bats already harbor CoVs with the ability to infect humans without adaptation. These results suggested that additional barriers limit the emergence of zoonotic CoV. In this work, we describe overcoming host restriction of two MERS-like bat CoVs using exogenous protease treatment. We found that the spike protein of PDF2180-CoV, a MERS-like virus found in a Ugandan bat, could mediate infection of Vero and human cells in the presence of exogenous trypsin. We subsequently show that the bat virus spike can mediate infection of human gut cells, but is unable to infect human lung cells. Using receptor-blocking antibodies, we show that infection with the PDF2180 spike does not require MERS-CoV receptor DPP4 and antibodies developed against the MERS spike receptor-binding domain and S2 portion are ineffective in neutralizing the PDF2180 chimera. Finally, we found that addition of exogenous trypsin also rescues replication of HKU5-CoV, a second MERS-like group 2c CoV. Together, these results indicate that proteolytic cleavage of the spike, not receptor binding, is the primary infection barrier for these two group 2c CoVs. Coupled with receptor binding, proteolytic activation offers a new parameter to evaluate emergence potential of CoVs and offer a means to recover previously unrecoverable zoonotic CoV strains.

Coronaviruses (CoVs) traffic frequently between species resulting in novel disease outbreaks, most recently exemplified by the newly emerged SARS-CoV-2. Herein, we show that the ribonucleoside analog Beta-D-N4-hydroxycytidine (NHC, EIDD-1931) has broad spectrum antiviral activity against SARS-CoV 2, MERS-CoV, SARS-CoV, and related zoonotic group 2b or 2c Bat-CoVs, as well as increased potency against a coronavirus bearing resistance mutations to another nucleoside analog inhibitor. In mice infected with SARS-CoV or MERS-CoV, both prophylactic and therapeutic administration of EIDD-2801, an orally bioavailable NHC-prodrug (Beta-D-N4-hydroxycytidine-5[']-isopropyl ester), improved pulmonary function, and reduced virus titer and body weight loss. Decreased MERS-CoV yields in vitro and in vivo were associated with increased transition mutation frequency in viral but not host cell RNA, supporting a mechanism of lethal mutagenesis. The potency of NHC/EIDD-2801 against multiple coronaviruses, its therapeutic efficacy, and oral bioavailability in vivo, all highlight its potential utility as an effective antiviral against SARS-CoV-2 and other future zoonotic coronaviruses.