ABSTRACT A series of SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs) have evolved in humans during the COVID-19 pandemic—Alpha, Beta, Gamma, Delta, and Omicron. Here, we used global proteomic and genomic analyses during infection to understand the molecular responses driving VOC evolution. We discovered VOC-specific differences in viral RNA and protein expression levels, including for N, Orf6, and Orf9b, and pinpointed several viral mutations responsible. An analysis of the host response to VOC infection and comprehensive interrogation of altered virus-host protein-protein interactions revealed conserved and divergent regulation of biological pathways. For example, regulation of host translation was highly conserved, consistent with suppression of VOC replication in mice using the translation inhibitor plitidepsin. Conversely, modulation of the host inflammatory response was most divergent, where we found Alpha and Beta, but not Omicron BA.1, antagonized interferon stimulated genes (ISGs), a phenotype that correlated with differing levels of Orf6. Additionally, Delta more strongly upregulated proinflammatory genes compared to other VOCs. Systematic comparison of Omicron subvariants revealed BA.5 to have evolved enhanced ISG and proinflammatory gene suppression that similarly correlated with Orf6 expression, effects not seen in BA.4 due to a mutation that disrupts the Orf6-nuclear pore interaction. Our findings describe how VOCs have evolved to fine-tune viral protein expression and protein-protein interactions to evade both innate and adaptive immune responses, offering a likely explanation for increased transmission in humans. One sentence summary Systematic proteomic and genomic analyses of SARS-CoV-2 variants of concern reveal how variant-specific mutations alter viral gene expression, virus-host protein complexes, and the host response to infection with applications to therapy and future pandemic preparedness.

Abstract SARS-CoV-2, the causative agent of the COVID-19 pandemic, drastically modifies infected cells in an effort to optimize virus replication. Included is the activation of the host p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway, which plays a major role in inflammation and is a central driver of COVID-19 clinical presentations. Inhibition of p38/MAPK activity in SARS-CoV-2-infected cells reduces both cytokine production and viral replication. Here, we combined genetic screening with quantitative phosphoproteomics to better understand interactions between the p38/MAPK pathway and SARS-CoV-2. We found that several components of the p38/MAPK pathway impacted SARS-CoV-2 replication and that p38β is a critical host factor for virus replication, and it prevents activation of the type-I interferon pathway. Quantitative phosphoproteomics uncovered several SARS-CoV-2 nucleocapsid phosphorylation sites near the N-terminus that were sensitive to p38 inhibition. Similar to p38β depletion, mutation of these nucleocapsid residues was associated with reduced virus replication and increased activation of type-I interferon signaling. Taken together, this study reveals a unique proviral function for p38β that is not shared with p38α and supports exploring p38β inhibitor development as a strategy towards developing a new class of COVID-19 therapies. Importance SARS-CoV-2 is the causative agent of the COVID-19 pandemic that has claimed millions of lives since its emergence in 2019. SARS-CoV-2 infection of human cells requires the activity of several cellular pathways for successful replication. One such pathway, the p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway, is required for virus replication and disease pathogenesis. Here, we applied systems biology approaches to understand how MAPK pathways benefit SARS-CoV-2 replication to inform the development of novel COVID-19 drug therapies.

Alveolar macrophages (AMs) are unique lung resident cells that contact airborne pathogens and environmental particulates. The contribution of human AMs (HAM) to pulmonary diseases remains poorly understood due to difficulty in accessing them from human donors and their rapid phenotypic change during in vitro culture. Thus, there remains an unmet need for cost-effective methods for generating and/or differentiating primary cells into a HAM phenotype, particularly important for translational and clinical studies. We developed cell culture conditions that mimic the lung alveolar environment in humans using lung lipids, i.e. , Infasurf (calfactant, natural bovine surfactant) and lung-associated cytokines (GM-CSF, TGF-β, and IL-10) that facilitate the conversion of blood-obtained monocytes to an AM-Like (AML) phenotype and function in tissue culture. Similar to HAM, AML cells are particularly susceptible to both Mycobacterium tuberculosis and severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infections. This study reveals the importance of alveolar space components in the development and maintenance of HAM phenotype and function, and provides a readily accessible model to study HAM in infectious and inflammatory disease processes, as well as therapies and vaccines.Millions die annually from respiratory disorders. Lower respiratory track gas-exchanging alveoli maintain a precarious balance between fighting invaders and minimizing tissue damage. Key players herein are resident AMs. However, there are no easily accessible in vitro models of HAMs, presenting a huge scientific challenge. Here we present a novel model for generating AML cells based on differentiating blood monocytes in a defined lung component cocktail. This model is non-invasive, significantly less costly than performing a bronchoalveolar lavage, yields more AML cells than HAMs per donor and retains their phenotype in culture. We have applied this model to early studies of M. tuberculosis and SARS-CoV-2. This model will significantly advance respiratory biology research.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV)-2 has caused millions of deaths since emerging in 2019. Innate immune antagonism by lethal CoVs such as SARS-CoV-2 is crucial for optimal replication and pathogenesis. The conserved nonstructural protein 15 (nsp15) endoribonuclease (EndoU) limits activation of double-stranded (ds)RNA-induced pathways, including interferon (IFN) signaling, protein kinase R (PKR), and oligoadenylate synthetase/ribonuclease L (OAS/RNase L) during diverse CoV infections including murine coronavirus and Middle East respiratory syndrome (MERS)-CoV. To determine how nsp15 functions during SARS-CoV-2 infection, we constructed a mutant recombinant SARS-CoV-2 (nsp15mut) expressing a catalytically inactive nsp15. Infection with SARS-CoV-2 nsp15mut led to increased activation of the IFN signaling and PKR pathways in lung-derived epithelial cell lines and primary nasal epithelial air-liquid interface (ALI) cultures as well as significant attenuation of replication in ALI cultures compared to wild-type (WT) virus. This replication defect was rescued when IFN signaling was inhibited with the Janus activated kinase (JAK) inhibitor ruxolitinib. Finally, to assess nsp15 function in the context of minimal (MERS-CoV) or moderate (SARS-CoV-2) innate immune induction, we compared infections with SARS-CoV-2 nsp15mut and previously described MERS-CoV nsp15 mutants. Inactivation of nsp15 had a more dramatic impact on MERS-CoV replication than SARS-CoV-2 in both Calu3 cells and nasal ALI cultures suggesting that SARS-CoV-2 can better tolerate innate immune responses. Taken together, SARS-CoV-2 nsp15 is a potent inhibitor of dsRNA-induced innate immune response and its antagonism of IFN signaling is necessary for optimal viral replication in primary nasal ALI culture.

Many viruses, including mammarenaviruses, have evolved mechanisms to counteract different components of the host cell innate immunity, which is required to facilitate robust virus multiplication. The double strand (ds)RNA sensor protein kinase receptor (PKR) pathway plays a critical role in the cell antiviral response. Whether PKR can restrict the multiplication of the Old World mammarenavirus lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) and the mechanisms by which LCMV may counteract the antiviral functions of PKR have not yet been investigated. Here we present evidence that LCMV infection results in very limited levels of PKR activation, but LCMV multiplication is enhanced in the absence of PKR. In contrast, infection with a recombinant LCMV with a mutation affecting the 3’-5’ exonuclease (ExoN) activity of the viral nucleoprotein (NP) resulted in robust PKR activation in the absence of detectable levels of dsRNA, which was associated with severely restricted virus multiplication that was alleviated in the absence of PKR. However, pharmacological inhibition of PKR activation resulted in reduced levels of LCMV multiplication. These findings uncovered a complex role of the PKR pathway in LCMV-infected cells involving both pro-and anti-viral activities.