During the summer of 2012, in Jeddah, Saudi Arabia, a hitherto unknown coronavirus (CoV) was isolated from the sputum of a patient with acute pneumonia and renal failure (1, 2). The isolate was provisionally called human coronavirus Erasmus Medical Center (EMC) (3). Shortly thereafter, in September 2012, the same type of virus, named human coronavirus England 1, was recovered from a patient with severe respiratory illness who had been transferred from the Gulf region of the Middle East to London, United Kingdom (4) (GenBank accession no. KC164505.2). The onset of the new disease was traced back to an even earlier time point. Already in April 2012, a cluster of pneumonia cases in health care workers had occurred in an intensive care unit of a hospital in Zarqa, Jordan (5). Two persons died, both of whom were confirmed to have been infected with the novel coronavirus through a retrospective analysis of stored samples (6). These findings met with considerable concern. Although the number of laboratory-confirmed cases is limited (34 as of 12 May 2013), the morbidity and mortality of the infection is alarming, as is its uncanny resemblance—at least in its clinical features—to severe acute respiratory syndrome (SARS). While in a small minority of the known cases the patients developed mild disease, most patients presented with a severe acute respiratory condition requiring hospitalization; the mortality rate is approximately 60% (7).

Deletion of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus (SARS-CoV) envelope (E) gene attenuates the virus. E gene encodes a small multifunctional protein that possesses ion channel (IC) activity, an important function in virus-host interaction. To test the contribution of E protein IC activity in virus pathogenesis, two recombinant mouse-adapted SARS-CoVs, each containing one single amino acid mutation that suppressed ion conductivity, were engineered. After serial infections, mutant viruses, in general, incorporated compensatory mutations within E gene that rendered active ion channels. Furthermore, IC activity conferred better fitness in competition assays, suggesting that ion conductivity represents an advantage for the virus. Interestingly, mice infected with viruses displaying E protein IC activity, either with the wild-type E protein sequence or with the revertants that restored ion transport, rapidly lost weight and died. In contrast, mice infected with mutants lacking IC activity, which did not incorporate mutations within E gene during the experiment, recovered from disease and most survived. Knocking down E protein IC activity did not significantly affect virus growth in infected mice but decreased edema accumulation, the major determinant of acute respiratory distress syndrome (ARDS) leading to death. Reduced edema correlated with lung epithelia integrity and proper localization of Na+/K+ ATPase, which participates in edema resolution. Levels of inflammasome-activated IL-1β were reduced in the lung airways of the animals infected with viruses lacking E protein IC activity, indicating that E protein IC function is required for inflammasome activation. Reduction of IL-1β was accompanied by diminished amounts of TNF and IL-6 in the absence of E protein ion conductivity. All these key cytokines promote the progression of lung damage and ARDS pathology. In conclusion, E protein IC activity represents a new determinant for SARS-CoV virulence.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) is capable of inducing a storm of proinflammatory cytokines. In this study, we show that the SARS-CoV open reading frame 3a (ORF3a) accessory protein activates the NLRP3 inflammasome by promoting TNF receptor-associated factor 3 (TRAF3)-mediated ubiquitination of apoptosis-associated speck-like protein containing a caspase recruitment domain (ASC). SARS-CoV and its ORF3a protein were found to be potent activators of pro-IL-1β gene transcription and protein maturation, the 2 signals required for activation of the NLRP3 inflammasome. ORF3a induced pro-IL-1β transcription through activation of NF-κB, which was mediated by TRAF3-dependent ubiquitination and processing of p105. ORF3a-induced elevation of IL-1β secretion was independent of its ion channel activity or absent in melanoma 2 but required NLRP3, ASC, and TRAF3. ORF3a interacted with TRAF3 and ASC, colocalized with them in discrete punctate structures in the cytoplasm, and facilitated ASC speck formation. TRAF3-dependent K63-linked ubiquitination of ASC was more pronounced in SARS-CoV-infected cells or when ORF3a was expressed. Taken together, our findings reveal a new mechanism by which SARS-CoV ORF3a protein activates NF-κB and the NLRP3 inflammasome by promoting TRAF3-dependent ubiquitination of p105 and ASC.-Siu, K.-L., Yuen, K.-S., Castaño-Rodriguez, C., Ye, Z.-W., Yeung, M.-L., Fung, S.-Y., Yuan, S., Chan, C.-P., Yuen, K.-Y., Enjuanes, L., Jin, D.-Y. Severe acute respiratory syndrome coronavirus ORF3a protein activates the NLRP3 inflammasome by promoting TRAF3-dependent ubiquitination of ASC.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) envelope (E) protein is a viroporin involved in virulence. E protein ion channel (IC) activity is specifically correlated with enhanced pulmonary damage, edema accumulation and death. IL-1β driven proinflammation is associated with those pathological signatures, however its link to IC activity remains unknown. In this report, we demonstrate that SARS-CoV E protein forms protein-lipid channels in ERGIC/Golgi membranes that are permeable to calcium ions, a highly relevant feature never reported before. Calcium ions together with pH modulated E protein pore charge and selectivity. Interestingly, E protein IC activity boosted the activation of the NLRP3 inflammasome, leading to IL-1β overproduction. Calcium transport through the E protein IC was the main trigger of this process. These findings strikingly link SARS-CoV E protein IC induced ionic disturbances at the cell level to immunopathological consequences and disease worsening in the infected organism.

ABSTRACT A deletion mutant of severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) has been engineered by deleting the structural E gene in an infectious cDNA clone that was constructed as a bacterial artificial chromosome (BAC). The recombinant virus lacking the E gene (rSARS-CoV-ΔE) was rescued in Vero E6 cells. The recovered deletion mutant grew in Vero E6, Huh-7, and CaCo-2 cells to titers 20-, 200-, and 200-fold lower than the recombinant wild-type virus, respectively, indicating that although the E protein has an effect on growth, it is not essential for virus replication. No differences in virion stability under a wide range of pH and temperature were detected between the deletion mutant and recombinant wild-type viruses. Although both viruses showed the same morphology by electron microscopy, the process of morphogenesis seemed to be less efficient with the defective virus than with the recombinant wild-type one. The rSARS-CoV-ΔE virus replicated to titers 100- to 1,000-fold lower than the recombinant wild-type virus in the upper and lower respiratory tract of hamsters, and the lower viral load was accompanied by less inflammation in the lungs of hamsters infected with rSARS-CoV-ΔE virus than with the recombinant wild-type virus. Therefore, the SARS-CoV that lacks the E gene is attenuated in hamsters, might be a safer research tool, and may be a good candidate for the development of a live attenuated SARS-CoV vaccine.

In this era of continued emergence of zoonotic virus infections, the rapid development of rodent models represents a critical barrier to public health preparedness, including the testing of antivirus therapy and vaccines. The Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) was recently identified as the causative agent of a severe pneumonia. Given the ability of coronavirus to rapidly adapt to new hosts, a major public health concern is that MERS-CoV will further adapt to replication in humans, triggering a pandemic. No small-animal model for this infection is currently available, but studies suggest that virus entry factors can confer virus susceptibility. Here, we show that mice were sensitized to MERS-CoV infection by prior transduction with adenoviral vectors expressing the human host-cell receptor dipeptidyl peptidase 4. Mice developed a pneumonia characterized by extensive inflammatory-cell infiltration with virus clearance occurring 6-8 d after infection. Clinical disease and histopathological changes were more severe in the absence of type-I IFN signaling whereas the T-cell response was required for virus clearance. Using these mice, we demonstrated the efficacy of a therapeutic intervention (poly I:C) and a potential vaccine [Venezuelan equine encephalitis replicon particles expressing MERS-CoV spike protein]. We also found little protective cross-reactivity between MERS-CoV and the severe acute respiratory syndrome-CoV. Our results demonstrate that this system will be useful for MERS-CoV studies and for the rapid development of relevant animal models for emerging respiratory viral infections.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) is the etiological agent of a respiratory disease that has a 10% mortality rate. We previously showed that SARS-CoV lacking the E gene (SARS-CoV-ΔE) is attenuated in several animal model systems. Here, we show that absence of the E protein resulted in reduced expression of proinflammatory cytokines, decreased numbers of neutrophils in lung infiltrates, diminished lung pathology, and increased mouse survival, suggesting that lung inflammation contributed to SARS-CoV virulence. Further, infection with SARS-CoV-ΔE resulted in decreased activation of NF-κB compared to levels for the wild-type virus. Most important, treatment with drugs that inhibited NF-κB activation led to a reduction in inflammation and lung pathology in both SARS-CoV-infected cultured cells and mice and significantly increased mouse survival after SARS-CoV infection. These data indicated that activation of the NF-κB signaling pathway represents a major contribution to the inflammation induced after SARS-CoV infection and that NF-κB inhibitors are promising antivirals in infections caused by SARS-CoV and potentially other pathogenic human coronaviruses.

The Coronaviridae family, comprising the Coronavirus and Torovirus genera, is part of the Nidovirales order that also includes two other families, Arteriviridae and Roniviridae. Based on genetic and serological relationships, groups 1, 2 and 3 were previously recognized in the Coronavirus genus. In this report we present results of comparative sequence analysis of the spike (S), envelope (E), membrane (M), and nucleoprotein (N) structural proteins, and the two most conserved replicase domains, putative RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) and RNA helicase (HEL), aimed at a revision of the Coronaviridae taxonomy. The results of pairwise comparisons involving structural and replicase proteins of the Coronavirus genus were consistent and produced percentages of sequence identities that were distributed in discontinuous clusters. Inter-group pairwise scores formed a single cluster in the lowest percentile. No homologs of the N and E proteins have been found outside coronaviruses, and the only (very) distant homologs of S and M proteins were identified in toroviruses. Intragroup sequence conservation was higher, although for some pairs, especially those from the most diverse group 1, scores were close or even overlapped with those from the intergroup comparisons. Phylogenetic analysis of six proteins using a neighbor-joining algorithm confirmed three coronavirus groups. Comparative sequence analysis of RdRp and HEL domains were extended to include arterivirus and ronivirus homologs. The pairwise scores between sequences of the genera Coronavirus and Torovirus (22–25% and 21–25%) were found to be very close to or overlapped with the value ranges (12 to 22% and 17 to 25%) obtained for interfamily pairwise comparisons, but were much smaller than values derived from pairwise comparisons within the Coronavirus genus (63–71% and 59–67%). Phylogenetic analysis confirmed toroviruses and coronaviruses to be separated by a large distance that is comparable to those between established nidovirus families. Based on comparison of these scores with those derived from analysis of separate ranks of several multi-genera virus families, like the Picornaviridae, a revision of the Coronaviridae taxonomy is proposed. We suggest the Coronavirus and Torovirus genera to be re-defined as two subfamilies within the Coronavirdae or two families within Nidovirales, and the current three informal coronavirus groups to be converted into three genera within the Coronaviridae.

Coronavirus disease 2019 (COVID-19) is especially severe in aged populations1. Vaccines against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) are highly effective, but vaccine efficacy is partly compromised by the emergence of SARS-CoV-2 variants with enhanced transmissibility2. The emergence of these variants emphasizes the need for further development of anti-SARS-CoV-2 therapies, especially for aged populations. Here we describe the isolation of highly virulent mouse-adapted viruses and use them to test a new therapeutic drug in infected aged animals. Many of the alterations observed in SARS-CoV-2 during mouse adaptation (positions 417, 484, 493, 498 and 501 of the spike protein) also arise in humans in variants of concern2. Their appearance during mouse adaptation indicates that immune pressure is not required for selection. For murine SARS, for which severity is also age dependent, elevated levels of an eicosanoid (prostaglandin D2 (PGD2)) and a phospholipase (phospholipase A2 group 2D (PLA2G2D)) contributed to poor outcomes in aged mice3,4. mRNA expression of PLA2G2D and prostaglandin D2 receptor (PTGDR), and production of PGD2 also increase with ageing and after SARS-CoV-2 infection in dendritic cells derived from human peripheral blood mononuclear cells. Using our mouse-adapted SARS-CoV-2, we show that middle-aged mice lacking expression of PTGDR or PLA2G2D are protected from severe disease. Furthermore, treatment with a PTGDR antagonist, asapiprant, protected aged mice from lethal infection. PTGDR antagonism is one of the first interventions in SARS-CoV-2-infected animals that specifically protects aged animals, suggesting that the PLA2G2D-PGD2/PTGDR pathway is a useful target for therapeutic interventions.

Abstract The coronavirus spike glycoprotein, located on the virion surface, is the key mediator of cell entry. As such, it is an attractive target for the development of protective antibodies and vaccines. Here we describe two human monoclonal antibodies, 1.6C7 and 28D9, that display a remarkable cross-reactivity against distinct species from three Betacoronavirus subgenera, capable of binding the spike proteins of SARS-CoV and SARS-CoV-2, MERS-CoV and the endemic human coronavirus HCoV-OC43. Both antibodies, derived from immunized transgenic mice carrying a human immunoglobulin repertoire, blocked MERS-CoV infection in cells, whereas 28D9 also showed weak cross-neutralizing potential against HCoV-OC43, SARS-CoV and SARS-CoV-2 in a neutralization-sensitive virus pseudotyping system, but not against authentic virus. Both cross-reactive monoclonal antibodies were found to target the stem helix in the spike protein S2 fusion subunit which, in the prefusion conformation of trimeric spike, forms a surface exposed membrane-proximal helical bundle, that is antibody-accessible. We demonstrate that administration of these antibodies in mice protects from a lethal MERS-CoV challenge in both prophylactic and/or therapeutic models. Collectively, these antibodies delineate a conserved, immunogenic and vulnerabe site on the spike protein which spurs the development of broad-range diagnostic, preventive and therapeutic measures against coronaviruses.