Abstract Nirmatrelvir, an oral antiviral targeting the 3CL protease of SARS-CoV-2, has been demonstrated to be clinically useful in reducing hospitalization or death due to COVID-19 1,2 . However, as SARS-CoV-2 has evolved to become resistant to other therapeutic modalities 3–9 , there is a concern that the same could occur for nirmatrelvir. Here, we have examined this possibility by in vitro passaging of SARS-CoV-2 in increasing concentrations of nirmatrelvir using two independent approaches, including one on a large scale in 480 wells. Indeed, highly resistant viruses emerged from both, and their sequences revealed a multitude of 3CL protease mutations. In the experiment done at a larger scale with many replicates, 53 independent viral lineages were selected with mutations observed at 23 different residues of the enzyme. Yet, several common mutational pathways to nirmatrelvir resistance were preferred, with a majority of the viruses descending from T21I, P252L, or T304I as precursor mutations. Construction and analysis of 13 recombinant SARS-CoV-2 clones, each containing a unique mutation or a combination of mutations showed that the above precursor mutations only mediated low-level resistance, whereas greater resistance required accumulation of additional mutations. E166V mutation conferred the strongest resistance (~100-fold), but this mutation resulted in a loss of viral replicative fitness that was restored by compensatory changes such as L50F and T21I. Structural explanations are discussed for some of the mutations that are proximal to the drug-binding site, as well as cross-resistance or lack thereof to ensitrelvir, another clinically important 3CL protease inhibitor. Our findings indicate that SARS-CoV-2 resistance to nirmatrelvir does readily arise via multiple pathways in vitro , and the specific mutations observed herein form a strong foundation from which to study the mechanism of resistance in detail and to inform the design of next generation protease inhibitors.

SARS-CoV-2 (severe acute respiratory syndrome coronavirus 2) as the etiologic agent of COVID-19 (coronavirus disease 2019) has drastically altered life globally. Numerous efforts have been placed on the development of therapeutics to treat SARS-CoV-2 infection. One particular target is the 3CL protease (3CL pro ), which holds promise as it is essential to the virus and highly conserved among coronaviruses, suggesting that it may be possible to find broad inhibitors that treat not just SARS-CoV-2 but other coronavirus infections as well. While the 3CL protease has been studied by many groups for SARS-CoV-2 and other coronaviruses, our understanding of its tolerance to mutations is limited, knowledge which is particularly important as 3CL protease inhibitors become utilized clinically. Here, we develop a yeast-based deep mutational scanning approach to systematically profile the activity of all possible single mutants of the SARS-CoV-2 3CL pro , and validate our results both in yeast and in authentic viruses. We reveal that the 3CL pro is highly malleable and is capable of tolerating mutations throughout the protein, including within the substrate binding pocket. Yet, we also identify specific residues that appear immutable for function of the protease, suggesting that these interactions may be novel targets for the design of future 3CL pro inhibitors. Finally, we utilize our screening results as a basis to identify E166V as a resistance-conferring mutation against the therapeutic 3CL pro inhibitor, nirmatrelvir, in clinical use. Collectively, the functional map presented herein may serve as a guide for further understanding of the biological properties of the 3CL protease and for drug development for current and future coronavirus pandemics.

Reports have described SARS-CoV-2 rebound in COVID-19 patients treated with nirmatrelvir, a 3CL protease inhibitor. The cause remains a mystery, although drug resistance, re-infection, and lack of adequate immune responses have been excluded. We now present virologic findings that provide a clue to the cause of viral rebound, which occurs in ∼20% of the treated cases. Persistence of infectious SARS-CoV-2 was experimentally documented in vitro after treatment with nirmatrelvir or another 3CL protease inhibitor, but not with a polymerase inhibitor, remdesivir. This infectious form decayed slowly with a half-life of ∼1 day, suggesting that its persistence could outlive the treatment course to re-ignite SARS-CoV-2 infection as the drug is eliminated. Notably, extending nirmatrelvir treatment beyond 8 days abolished viral rebound in vitro. Our findings point in a particular direction for future investigation of virus persistence and offer a specific treatment recommendation that should be tested clinically.

Reports have described SARS-CoV-2 rebound in COVID-19 patients treated with nirmatrelvir, a 3CL protease inhibitor. The cause remains a mystery, although drug resistance, re-infection, and lack of adequate immune responses have been excluded. We now present virologic findings that provide a clue to the cause of viral rebound, which occurs in ~20% of the treated cases. The persistence of an intermediary form of infectious SARS-CoV-2 was experimentally documented in vitro after treatment with nirmatrelvir or another 3CL protease inhibitor, but not with a polymerase inhibitor, remdesivir. This infectious intermediate decayed slowly with a half-life of ~1 day, suggesting that its persistence could outlive the treatment course to re-ignited SARS-CoV-2 infection as the drug is eliminated. Additional studies are needed to define the nature of this viral intermediate, but our findings point to a particular direction for future investigation and offer a specific treatment recommendation that should be tested clinically.