We identified an emerging severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) variant by viral whole-genome sequencing of 2,172 nasal/nasopharyngeal swab samples from 44 counties in California, a state in the western United States. Named B.1.427/B.1.429 to denote its two lineages, the variant emerged in May 2020 and increased from 0% to >50% of sequenced cases from September 2020 to January 2021, showing 18.6%–24% increased transmissibility relative to wild-type circulating strains. The variant carries three mutations in the spike protein, including an L452R substitution. We found 2-fold increased B.1.427/B.1.429 viral shedding in vivo and increased L452R pseudovirus infection of cell cultures and lung organoids, albeit decreased relative to pseudoviruses carrying the N501Y mutation common to variants B.1.1.7, B.1.351, and P.1. Antibody neutralization assays revealed 4.0- to 6.7-fold and 2.0-fold decreases in neutralizing titers from convalescent patients and vaccine recipients, respectively. The increased prevalence of a more transmissible variant in California exhibiting decreased antibody neutralization warrants further investigation.

Efforts to determine why new severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) variants demonstrate improved fitness have been limited to analyzing mutations in the spike (S) protein with the use of S-pseudotyped particles. In this study, we show that SARS-CoV-2 virus-like particles (SC2-VLPs) can package and deliver exogenous transcripts, enabling analysis of mutations within all structural proteins and at multiple steps in the viral life cycle. In SC2-VLPs, four nucleocapsid (N) mutations found universally in more-transmissible variants independently increased messenger RNA delivery and expression ~10-fold, and in a reverse genetics model, the serine-202→arginine (S202R) and arginine-203→methionine (R203M) mutations each produced >50 times as much virus. SC2-VLPs provide a platform for rapid testing of viral variants outside of a biosafety level 3 setting and demonstrate N mutations and particle assembly to be mechanisms that could explain the increased spread of variants, including B.1.617.2 (Delta, which contains the R203M mutation).

Abstract Newly evolved SARS-CoV-2 variants are driving ongoing outbreaks of COVID-19 around the world. Efforts to determine why these viral variants have improved fitness are limited to mutations in the viral spike (S) protein and viral entry steps using non-SARS-CoV-2 viral particles engineered to display S. Here we show that SARS-CoV-2 virus-like particles can package and deliver exogenous transcripts, enabling analysis of mutations within all structural proteins and rapid dissection of multiple steps in the viral life cycle. Identification of an RNA packaging sequence was critical for engineered transcripts to assemble together with SARS-CoV-2 structural proteins S, nucleocapsid (N), membrane (M) and envelope (E) into non-replicative SARS-CoV-2 virus-like particles (SC2-VLPs) that deliver these transcripts to ACE2- and TMPRSS2-expressing cells. Using SC2-VLPs, we tested the effect of 30 individual mutations within the S and N proteins on particle assembly and entry. While S mutations unexpectedly did not affect these steps, SC2-VLPs bearing any one of four N mutations found universally in more-transmissible viral variants (P199L, S202R, R203M and R203K) showed increased particle production and up to 10-fold more reporter transcript expression in receiver cells. Our study provides a platform for rapid testing of viral variants outside a biosafety level 3 setting and identifies viral N mutations and viral particle assembly as mechanisms to explain the increased spread of current viral variants, including Delta (N:R203M). One-Sentence Summary R203M substitution within SARS-CoV-2 N, found in delta variant, improves RNA packaging into virus-like particles by 10-fold.

The COVID-19 pandemic has demonstrated the need for exploring different diagnostic and therapeutic modalities to tackle future viral threats. In this vein, we propose the idea of sentinel cells, cellular biosensors capable of detecting viral antigens and responding to them with customizable responses. Using SARS-CoV-2 as a test case, we developed a live cell sensor (SARSNotch) using a de novo-designed protein binder against the SARS-CoV-2 Spike protein. SARSNotch is capable of driving custom genetically-encoded payloads in immortalized cell lines or in primary T lymphocytes in response to purified SARS-CoV-2 Spike or in the presence of Spike-expressing cells. Furthermore, SARSNotch is functional in a cellular system used in directed evolution platforms for development of better binders or therapeutics. In keeping with the rapid dissemination of scientific knowledge that has characterized the incredible scientific response to the ongoing pandemic, we extend an open invitation for others to make use of and improve SARSNotch sentinel cells in the hopes of unlocking the potential of the next generation of smart antiviral therapeutics.

Abstract As SARS-CoV-2 continues to spread worldwide, tractable primary airway cell models that accurately recapitulate the cell-intrinsic response to arising viral variants are needed. Here we describe an adult stem cell-derived human airway organoid model overexpressing the ACE2 receptor that supports robust viral replication while maintaining 3D architecture and cellular diversity of the airway epithelium. ACE2-OE organoids were infected with SARS-CoV-2 variants and subjected to single-cell RNA-sequencing. NF-κB inhibitor alpha was consistently upregulated in infected epithelial cells, and its mRNA expression positively correlated with infection levels. Confocal microscopy showed more IκBα expression in infected than bystander cells, but found concurrent nuclear translocation of NF-κB that IκBα usually prevents. Overexpressing a nondegradable IκBα mutant reduced NF-κB translocation and increased viral infection. These data demonstrate the functionality of ACE2-OE organoids in SARS-CoV-2 research and identify an incomplete NF-κB feedback loop as a rheostat of viral infection that may promote inflammation and severe disease.

Importance Atrial fibrillation (AF) has a substantial genetic component. The importance of polygenic risk is well established, while the contribution of rare variants to disease risk warrants characterization in large cohorts. Objective To identify rare predicted loss-of-function (pLOF) variants associated with AF and elucidate their role in risk of AF, cardiomyopathy (CM), and heart failure (HF) in combination with a polygenic risk score (PRS). Design, Setting, and Participants This was a genetic association and nested case-control study. The impact of rare pLOF variants was evaluated on the risk of incident AF. HF and CM were assessed in cause-specific Cox regressions. End of follow-up was July 1, 2022. Data were analyzed from January to October 2023. The UK Biobank enrolled 502 480 individuals aged 40 to 69 years at inclusion in the United Kingdom between March 13, 2006, and October 1, 2010. UK residents of European ancestry were included. Individuals with prior diagnosis of AF were excluded from analyses of incident AF. Exposures Rare pLOF variants and an AF PRS. Main Outcomes and Measures Risk of AF and incident HF or CM prior to and subsequent to AF diagnosis. Results A total of 403 990 individuals (218 489 [54.1%] female) with a median (IQR) age of 58 (51-63) years were included; 24 447 were diagnosed with incident AF over a median (IQR) follow-up period of 13.3 (12.4-14.0) years. Rare pLOF variants in 6 genes ( TTN , RPL3L , PKP2 , CTNNA3 , KDM5B , and C10orf71 ) were associated with AF. Of these, TTN , RPL3L , PKP2 , CTNNA3 , and KDM5B replicated in an external cohort. Combined with high PRS, rare pLOF variants conferred an odds ratio of 7.08 (95% CI, 6.03-8.28) for AF. Carriers with high PRS also had a substantial 10-year risk of AF (16% in female individuals and 24% in male individuals older than 60 years). Rare pLOF variants were associated with increased risk of CM both prior to AF (hazard ratio [HR], 3.13; 95% CI, 2.24-4.36) and subsequent to AF (HR, 2.98; 95% CI, 1.89-4.69). Conclusions and Relevance Rare and common genetic variation were associated with an increased risk of AF. The findings provide insights into the genetic underpinnings of AF and may aid in future genetic risk stratification.

Colloidal aggregation is one of the largest contributors to false positives in early drug discovery. Here, we consider aggregation's role in cell-based infectivity assays in Covid-19 drug repurposing. We investigated the potential aggregation of 41 drug candidates reported as SARs-CoV-2 entry inhibitors. Of these, 17 formed colloidal particles by dynamic light scattering and exhibited detergent-dependent enzyme inhibition. To evaluate the impact of aggregation on antiviral efficacy in cells, we presaturated the colloidal drug suspensions with BSA or spun them down by centrifugation and measured the effects on spike pseudovirus infectivity. Antiviral potencies diminished by at least 10-fold following both BSA and centrifugation treatments, supporting a colloid-based mechanism. Aggregates induced puncta of the labeled spike protein in fluorescence microscopy, consistent with sequestration of the protein on the colloidal particles. These observations suggest that colloidal aggregation is common among cell-based antiviral drug repurposing and offers rapid counter-screens to detect and eliminate these artifacts.

Summary Survival from COVID-19 depends on the ability of the host to effectively neutralize virions and infected cells, a process largely driven by antibody-mediated immunity. However, with the newly emerging variants that evade Spike-targeting antibodies, re-infections and breakthrough infections are increasingly common. A full characterization of SARS-CoV-2 mechanisms counteracting antibody-mediated immunity is needed. Here, we report that ORF8 is a SARS-CoV-2 factor that controls cellular Spike antigen levels. ORF8 limits the availability of mature Spike by inhibiting host protein synthesis and retaining Spike at the endoplasmic reticulum, reducing cell-surface Spike levels and recognition by anti-SARS-CoV-2 antibodies. With limited Spike availability, ORF8 restricts Spike incorporation during viral assembly, reducing Spike levels in virions. Cell entry of these virions leaves fewer Spike molecules at the cell surface, limiting antibody recognition of infected cells. Our studies propose an ORF8-dependent SARS-CoV-2 strategy that allows immune evasion of infected cells for extended viral production.

Abstract As SARS-CoV-2 continues to spread worldwide, tractable primary airway cell models that recapitulate the cell-intrinsic response to arising viral variants are needed. Here we describe an adult stem cell-derived human airway organoid model overexpressing the ACE2 receptor (ACE2-OE) that supports robust viral replication while maintaining 3D architecture and cellular diversity of the airway epithelium. ACE2-OE organoids were infected with SARS-CoV-2 variants and subjected to single-cell RNA-sequencing. Interferon-lambda was upregulated in cells with low-level infection while the NF-kB inhibitor alpha gene (encoding IkBa) was consistently upregulated in infected cells, and its expression positively correlated with infection levels. Confocal microscopy showed more IkBa expression in infected than bystander cells, but found concurrent nuclear translocation of NF-kB that IkBa usually prevents. Overexpressing a nondegradable IkBa mutant reduced NF-kB translocation and increased viral infection. These data demonstrate the functionality of ACE2-OE organoids in SARS-CoV-2 research and underscore that the strength of the NF-kB feedback loop in infected cells controls viral replication.

Summary Hepatitis C virus (HCV) is the leading cause of death from liver disease. How HCV infection causes lasting liver damage and increases cancer risk beyond viral clearance remains unclear. We identify bipotent liver stem cells as novel targets for HCV infection, and their erroneous differentiation as the potential cause of impaired liver regeneration and cancer development. We show 3D organoids generated from liver stem cells from actively HCV-infected individuals carry replicating virus and maintain low-grade infection over months. Organoids can be infected with a primary HCV isolate. Virus-inclusive single-cell RNA-sequencing uncovered extensive transcriptional reprogramming in HCV + cells supporting hepatocytic differentiation, cancer stem cell development and viral replication while stem cell proliferation and interferon signaling are disrupted. Our data adds a pathogenesis factor – infection of liver stem cells – to the biology of HCV infection that explains persistent liver damage and enhanced cancer risk through an altered stem cell state.