Coronavirus disease-19 (COVID-19) emerged in November, 2019 in China and rapidly became pandemic. As with other coronaviruses, a preponderance of evidence suggests the virus originated in horseshoe bats (Rhinolophus spp.) and likely underwent a recombination event in an intermediate host prior to entry into human populations. A significant concern is that SARS-CoV-2 could become established in secondary reservoir hosts outside of Asia. To assess this potential, we challenged deer mice (Peromyscus maniculatus) with SARS-CoV-2 and found robust virus replication in the upper respiratory tract, lungs and intestines, with detectable viral RNA for up to 21 days in oral swabs and 14 days in lungs. Virus entry into the brain also occurred, likely via gustatory-olfactory-trigeminal pathway with eventual compromise to the blood brain barrier. Despite this, no conspicuous signs of disease were observed and no deer mice succumbed to infection. Expression of several innate immune response genes were elevated in the lungs, notably IFNα, Cxcl10, Oas2, Tbk1 and Pycard. Elevated CD4 and CD8β expression in the lungs was concomitant with Tbx21, IFNγ and IL-21 expression, suggesting a type I inflammatory immune response. Contact transmission occurred from infected to naive deer mice through two passages, showing sustained natural transmission. In the second deer mouse passage, an insertion of 4 amino acids occurred to fixation in the N-terminal domain of the spike protein that is predicted to form a solvent-accessible loop. Subsequent examination of the source virus from BEI Resources indicated the mutation was present at very low levels, demonstrating potent purifying selection for the insert during in vivo passage. Collectively, this work has determined that deer mice are a suitable animal model for the study of SARS-CoV-2 pathogenesis, and that they have the potential to serve as secondary reservoir hosts that could lead to periodic outbreaks of COVID-19 in North America.

The coronavirus (CoV) RNA genome is the largest among single-stranded positive sense RNA viruses. CoVs encode a proofreading 3′-to-5′ exoribonuclease within nonstructural protein 14 (nsp14-ExoN) that is responsible for CoV high-fidelity replication. Alanine substitution of ExoN catalytic residues [ExoN(-)] in SARS-CoV and murine hepatitis virus (MHV) disrupts ExoN activity, yielding viable mutant viruses with defective replication, up to 20-fold decreased fidelity, and increased susceptibility to nucleoside analogs. To test the stability of the ExoN(-) genotype and phenotype, we passaged MHV-ExoN(-) 250 times in cultured cells (P250), in parallel with WT-MHV. Compared to MHV-ExoN(-) P3, MHV-ExoN(-) P250 demonstrated enhanced replication, reduced susceptibility to nucleoside analogs, and increased competitive fitness. However, passage did not select for complete or partial reversion at the ExoN-inactivating mutations. We identified novel amino acid changes within the RNA-dependent RNA polymerase (nsp12-RdRp) and nsp14 of MHV-ExoN(-) P250 that partially account for the observed changes in replication, susceptibility to nucleoside analogs, and competitive fitness observed in the passaged virus population, indicating that additional determinants can compensate for the activities of nsp14-ExoN. Our results suggest that while selection favors restoration of replication fidelity in ExoN(-) CoVs, there may be a significant barrier to ExoN(-) reversion. These results also support the hypothesis that high-fidelity replication is linked to CoV fitness and identify additional candidate proteins that may regulate CoV replication fidelity.

The 3'-to-5' exoribonuclease in coronavirus (CoV) nonstructural protein 14 (nsp14-ExoN) mediates RNA proofreading during genome replication. ExoN catalytic residues are arranged in three motifs: I (DE), II (E), III (D). Alanine substitution of the motif I residues (AA-E-D, four nucleotide substitutions) in murine hepatitis virus (MHV) and SARS-CoV yields viable mutants with impaired replication and fitness, increased mutation rates, and attenuated virulence in vivo. Despite these impairments, MHV- and SARS-CoV ExoN motif I AA mutants (ExoN-AA) have not reverted at motif I in diverse in vitro and in vivo environments, suggesting that profound fitness barriers prevent motif I reversion. To test this hypothesis, we engineered MHV-ExoN-AA with 1, 2 or 3 nucleotide mutations along genetic pathways to AA-to-DE reversion. We show that engineered intermediate revertants were viable but had no increased replication or competitive fitness compared to MHV-ExoN-AA. In contrast, a low passage (P10) MHV-ExoN-AA showed increased replication and competitive fitness without reversion of ExoN-AA. Finally, engineered reversion of ExoN-AA to ExoN-DE in the presence of ExoN-AA passage-adaptive mutations resulted in significant fitness loss. These results demonstrate that while reversion is possible, at least one alternative adaptive pathway is more rapidly advantageous than intermediate revertants and may alter the genetic background to render reversion detrimental to fitness. Our results provide an evolutionary rationale for lack of ExoN-AA reversion, illuminate potential multi-protein replicase interactions and coevolution, and support future studies aimed at stabilizing attenuated CoV ExoN-AA mutants.

ABSTRACT The unwinding of double-stranded RNA intermediates is critical for replication and packaging of flavivirus RNA genomes. This unwinding activity is achieved by the ATP-dependent nonstructural protein 3 (NS3) helicase. In previous studies, we investigated the mechanism of energy transduction between the ATP and RNA binding pockets using molecular dynamics simulations and enzymatic characterization. Our data corroborated the hypothesis that Motif V is a communication hub for this energy transduction. More specifically, mutations T407A and S411A in Motif V exhibit a hyperactive helicase phenotype leading to the regulation of translocation and unwinding during replication. However, the effect of these mutations on viral infection in cell culture and in vivo is not well understood. Here, we investigated the role of Motif V in viral replication using T407A and S411A West Nile virus (Kunjin subtype) mutants in cell culture and in vivo. We were able to recover S411A Kunjin but unable to recover T407A Kunjin. Our results indicated that S411A Kunjin decreased viral infection, and increased cytopathogenicity in cell culture as compared to WT Kunjin. Similarly, decreased infection rates in surviving S411A-infected Culex quinquefasciatus mosquitoes were observed, but S411A Kunjin infection resulted in increased mortality compared to WT Kunjin. Additionally, S411A Kunjin increased viral dissemination and saliva positivity rates in surviving mosquitoes compared to WT Kunjin. These data suggest that S411A Kunjin increases pathogenesis in mosquitoes. Overall, these data indicate that NS3 Motif V may play a role in the pathogenesis, dissemination, and transmission efficiency of Kunjin virus. IMPORTANCE Kunjin and West Nile viruses belong to the arthropod-borne flaviviruses, which can result in severe symptoms including encephalitis, meningitis, and death. Flaviviruses have expanded into new populations and emerged as novel pathogens repeatedly in recent years demonstrating they remain a global threat. Currently, there are no approved anti-viral therapeutics against either Kunjin or West Nile viruses. Thus, there is a pressing need for understanding the pathogenesis of these viruses in humans. In this study, we investigate the role of the Kunjin virus helicase on infection in cell culture and in vivo . This work provides new insight into how flaviviruses control pathogenesis and mosquito transmission through the nonstructural protein 3 helicase.

Coronaviruses (CoV) are positive-sense RNA viruses that infect numerous mammalian and avian species and are capable of causing severe and lethal disease in humans. CoVs encode several innate immune antagonists that interact with the host innate immune response to facilitate efficient viral replication. CoV non-structural protein 14 (nsp14) encodes 3′-to-5′ exoribonuclease activity (ExoN), which performs a proofreading function and is required for high-fidelity replication. Outside of the order Nidovirales, arenaviruses are the only RNA viruses that encode an ExoN, which functions to degrade dsRNA replication intermediates. In this study, we tested the hypothesis that CoV ExoN may also function to antagonize the innate immune response. We demonstrate that viruses lacking ExoN activity [ExoN(-)] are sensitive to cellular pretreatment with interferon beta (IFN-β) in a dose-dependent manner. In addition, ExoN(-) virus replication was attenuated in wild-type bone marrow-derived macrophages (BMMs) and partially restored in interferon alpha/beta receptor deficient (IFNAR-/-) BMMs. ExoN(-) virus replication did not result in IFN-β gene expression, and in the presence of an IFN-β-mediated antiviral state, ExoN(-) viral RNA levels were not substantially reduced relative to untreated. However, ExoN(-) virus generated from IFN-β pretreated cells had reduced specific infectivity and decreased relative fitness, suggesting that ExoN(-) virus generated during an antiviral state is less viable to establish a subsequent infection. Overall, our data suggest MHV ExoN activity is required for resistance to the innate immune response and antiviral mechanisms affecting the viral RNA sequence and/or an RNA modification act on viruses lacking ExoN activity.

Abstract SARS-CoV-2 has had a disproportionate impact on non-hospital healthcare settings such as long-term care facilities (LTCFs). The communal nature of these facilities, paired with the high-risk profile of residents, has resulted in thousands of infections and deaths and a high case fatality rate. To detect pre-symptomatic infections and identify infected workers, we performed weekly surveillance testing of staff at two LTCFs which revealed a large outbreak at one of the sites. We collected serum from staff members throughout the study and evaluated it for binding and neutralization to measure seroprevalence, seroconversion, and type and functionality of antibodies. At the site with very few incident infections, we detected that over 40% of the staff had preexisting SARS-CoV-2 neutralizing antibodies, suggesting prior exposure. At the outbreak site, we saw rapid seroconversion following infection. Neutralizing antibody levels were stable for many weeks following infection, suggesting a durable, long-lived response. Receptor-binding domain antibodies and neutralizing antibodies were strongly correlated. The site with high seroprevalence among staff had two unique introductions of SARS-CoV-2 into the facility through seronegative infected staff during the period of study but these did not result in workplace spread or outbreaks. Together our results reveal that high seroprevalence rate among staff can contribute to herd immunity within a workplace and protect against subsequent infection and spread within a facility.