Highlights•Phosphoproteomics analysis of SARS-CoV-2-infected cells uncovers signaling rewiring•Infection promotes host p38 MAPK cascade activity and shutdown of mitotic kinases•Infection stimulates CK2-containing filopodial protrusions with budding virus•Kinase activity analysis identifies potent antiviral drugs and compoundsSummaryThe causative agent of the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), has infected millions and killed hundreds of thousands of people worldwide, highlighting an urgent need to develop antiviral therapies. Here we present a quantitative mass spectrometry-based phosphoproteomics survey of SARS-CoV-2 infection in Vero E6 cells, revealing dramatic rewiring of phosphorylation on host and viral proteins. SARS-CoV-2 infection promoted casein kinase II (CK2) and p38 MAPK activation, production of diverse cytokines, and shutdown of mitotic kinases, resulting in cell cycle arrest. Infection also stimulated a marked induction of CK2-containing filopodial protrusions possessing budding viral particles. Eighty-seven drugs and compounds were identified by mapping global phosphorylation profiles to dysregulated kinases and pathways. We found pharmacologic inhibition of the p38, CK2, CDK, AXL, and PIKFYVE kinases to possess antiviral efficacy, representing potential COVID-19 therapies.Graphical abstract

ABSTRACT Understanding how SARS-CoV-2 spreads within the respiratory tract is important to define the parameters controlling the severity of COVID-19. We examined the functional and structural consequences of SARS-CoV-2 infection in a reconstituted human bronchial epithelium model. SARS-CoV-2 replication caused a transient decrease in epithelial barrier function and disruption of tight junctions, though viral particle crossing remained limited. Rather, SARS-CoV-2 replication led to a rapid loss of the ciliary layer, characterized at the ultrastructural level by axoneme loss and misorientation of remaining basal bodies. The motile cilia function was compromised, as measured in a mucociliary clearance assay. Epithelial defense mechanisms, including basal cell mobilization and interferon-lambda induction, ramped up only after the initiation of cilia damage. Analysis of SARS-CoV-2 infection in Syrian hamsters further demonstrated the loss of motile cilia in vivo . This study identifies cilia damage as a pathogenic mechanism that could facilitate SARS-CoV-2 spread to the deeper lung parenchyma.

Abstract Severe COVID-19 is characterized by lung abnormalities, including the presence of syncytial pneumocytes. Syncytia form when SARS-CoV-2 spike protein expressed on the surface of infected cells interacts with the ACE2 receptor on neighbouring cells. The syncytia forming potential of spike variant proteins remain poorly characterized. Here, we first assessed Alpha and Beta spread and fusion in cell cultures. Alpha and Beta replicated similarly to D614G reference strain in Vero, Caco-2, Calu-3 and primary airway cells. However, Alpha and Beta formed larger and more numerous syncytia. Alpha, Beta and D614G fusion was similarly inhibited by interferon induced transmembrane proteins (IFITMs). Individual mutations present in Alpha and Beta spikes differentially modified fusogenicity, binding to ACE2 and recognition by monoclonal antibodies. We further show that Delta spike also triggers faster fusion relative to D614G. Thus, SARS-CoV-2 emerging variants display enhanced syncytia formation. Synopsis The Spike protein of the novel SARS-CoV-2 variants are comparative more fusogenic than the earlier strains. The mutations in the variant spike protein differential modulate syncytia formation, ACE2 binding, and antibody escape. The spike protein of Alpha, Beta and Delta, in the absence of other viral proteins, induce more syncytia than D614G The ACE2 affinity of the variant spike proteins correlates to their fusogenicity Variant associated mutations P681H, D1118H, and D215G augment cell-cell fusion, while antibody escape mutation E484K, K417N and Δ242-244 hamper it. Variant spike-mediated syncytia formation is effectively restricted by IFITMs

Abstract SARS-CoV-2 infection of human cells is initiated by the binding of the viral Spike protein to its cell-surface receptor ACE2. We conducted a targeted CRISPRi screen to uncover druggable pathways controlling Spike protein binding to human cells. We found that the protein BRD2 is required for ACE2 transcription in human lung epithelial cells and cardiomyocytes, and BRD2 inhibitors currently evaluated in clinical trials potently block endogenous ACE2 expression and SARS-CoV-2 infection of human cells, including those of human nasal epithelia. Moreover, pharmacological BRD2 inhibition with the drug ABBV-744 inhibited SARS-CoV-2 replication in Syrian hamsters. We also found that BRD2 controls transcription of several other genes induced upon SARS-CoV-2 infection, including the interferon response, which in turn regulates the antiviral response. Together, our results pinpoint BRD2 as a potent and essential regulator of the host response to SARS-CoV-2 infection and highlight the potential of BRD2 as a novel therapeutic target for COVID-19.

ABSTRACT Robust severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2) infection in nasal turbinate (NT) accounts for high viral transmissibility, yet whether neutralizing IgA antibodies can control it remains unknown. Here, we evaluated receptor binding domain (RBD)-specific monomeric B8-mIgA1 and B8-mIgA2, and dimeric B8-dIgA1 and B8-dIgA2 against intranasal SARS-CoV-2 challenge in Syrian hamsters. These antibodies exhibited comparably potent neutralization against authentic virus by competing with human angiotensin converting enzyme-2 (ACE2) receptor for RBD binding. While reducing viruses in lungs, pre-exposure intranasal B8-dIgA1 or B8-dIgA2 led to 81-fold more infectious viruses and severer damage in NT than placebo. Virus-bound B8-dIgA1 and B8-dIgA2 could engage CD209 as an alternative receptor for entry into ACE2-negative cells and allowed viral cell-to-cell transmission. Cryo-EM revealed B8 as a class II neutralizing antibody binding trimeric RBDs in 3-up or 2-up/1-down conformation. Therefore, RBD-specific neutralizing dIgA engages an unexpected action for enhanced SARS-CoV-2 nasal infection and injury in Syrian hamsters.

ABSTRACT Host-viral interactions during SARS-CoV-2 infection are needed to understand COVID-19 pathogenesis and may help to guide the design of novel antiviral therapeutics. N 6 -methyladenosine modification (m 6 A), one of the most abundant cellular RNA modifications, regulates key processes in RNA metabolism during a stress response. Gene expression profiles observed post-infection with different SARS-CoV-2 variants show changes in the expression of genes related to RNA catabolism, including m 6 A readers and erasers. We found that infection with SARS-CoV-2 variants caused a loss of m 6 A in cellular RNAs, whereas m 6 A was detected abundantly in viral RNA. METTL3, the m 6 A methyltransferase, showed an unusual cytoplasmic localization post-infection. The B.1.351 variant had a less pronounced effect on METTL3 localization and loss of m 6 A than the B.1 and B.1.1.7 variants. We also observed a loss of m 6 A upon SARS-CoV-2 infection in air/liquid interface cultures of human airway epithelia, confirming that m 6 A loss is characteristic of SARS-CoV-2 infected cells. Further, transcripts with m 6 A modification were preferentially down-regulated post-infection. Inhibition of the export protein XPO1 resulted in the restoration of METTL3 localization, recovery of m 6 A on cellular RNA, and increased mRNA expression. Stress granule formation, which was compromised by SARS-CoV-2 infection, was restored by XPO1 inhibition and accompanied by a reduced viral infection in vitro . Together, our study elucidates how SARS-CoV-2 inhibits the stress response and perturbs cellular gene expression in an m 6 A-dependent manner.

ABSTRACT Predicting the immunogenicity of candidate vaccines in humans remains a challenge. To address this issue, we developed a Lymphoid Organ-Chip (LO chip) model based on a microfluidic chip seeded with human PBMC at high density within a 3D collagen matrix. Perfusion of the SARS-CoV-2 Spike protein mimicked a vaccine boost by inducing a massive amplification of Spike-specific memory B cells, plasmablast differentiation, and Spike-specific antibody secretion. Features of lymphoid tissue, including the formation of activated CD4+ T cell/B cell clusters and the emigration of matured plasmablasts, were recapitulated in the LO chip. Importantly, myeloid cells were competent at capturing and expressing mRNA vectored by lipid nanoparticles, enabling the assessment of responses to mRNA vaccines. Comparison of on-chip responses to Wuhan monovalent and Wuhan/Omicron bivalent mRNA vaccine boosts showed equivalent induction of Omicron neutralizing antibodies, pointing at immune imprinting as reported in vivo . The LO chip thus represents a versatile platform suited to the preclinical evaluation of vaccine boosting strategies.

ABSTRACT SARS-CoV-2 remained genetically stable during the first three months of the pandemic, before acquiring a D614G spike mutation that rapidly spread worldwide, and then generating successive waves of viral variants with increasingly high transmissibility. We set out to evaluate possible epistatic interactions between the early occurring D614G mutation and the more recently emerged cleavage site mutations present in spike of the Alpha, Delta, and Omicron variants of concern. The P681H/R mutations at the S1/S2 cleavage site increased spike processing and fusogenicity but limited its incorporation into pseudoviruses. In addition, the higher cleavage rate led to higher shedding of the spike S1 subunit, resulting in a lower infectivity of the P681H/R-carrying pseudoviruses compared to those expressing the Wuhan wild-type spike. The D614G mutation increased spike expression at the cell surface and limited S1 shedding from pseudovirions. As a consequence, the D614G mutation preferentially increased the infectivity of P681H/R-carrying pseudoviruses. This enhancement was more marked in cells where the endosomal route predominated, suggesting that more stable spikes could better withstand the endosomal environment. Taken together, these findings suggest that the D614G mutation stabilized S1/S2 association and enabled the selection of mutations that increased S1/S2 cleavage, leading to the emergence of SARS-CoV-2 variants expressing highly fusogenic spikes. AUTHOR SUMMARY The successive emergence of SARS-CoV-2 variants is fueling the COVID pandemic, thus causing a major and persistent public health issue. The parameters involved in the emergence of variants with higher pathogenic potential remain incompletely understood. The first SARS-CoV-2 variant that spread worldwide in early 2020 carried a D614G mutation in the viral spike, making this protein more stable in its cleaved form at the surface of virions, and resulting in viral particles with higher infectious capacity. The Alpha and the Delta variants that spread in late 2020 and early 2021, respectively, proved increasingly transmissible and pathogenic when compared to the original SARS-CoV-2 strain. Interestingly, Alpha and Delta both carried mutations in a spike cleavage site that needs to be processed by cellular proteases prior to viral entry. The cleavage site mutations P681H/R made the Alpha and Delta spikes more efficient at viral fusion, by generating a higher fraction of cleaved spikes subunits S1 and S2. We show here that the early D614G mutation and the late P681H/R mutations act synergistically to increase the fusion capacity of SARS-CoV-2 variants. Specifically, viruses with increased spike cleavage due to P681H/R were even more dependent on the stabilizing effect of D614G mutation, which limited the shedding of cleaved S1 subunits from viral particles. These findings suggest that the worldwide spread of the D614G mutation was a prerequisite to the emergence of more pathogenic SARS-CoV-2 variants with highly fusogenic spikes.

Predicting the immunogenicity of candidate vaccines in humans remains a challenge. To address this issue, we developed a lymphoid organ-chip (LO chip) model based on a microfluidic chip seeded with human PBMC at high density within a 3D collagen matrix. Perfusion of the SARS-CoV-2 spike protein mimicked a vaccine boost by inducing a massive amplification of spike-specific memory B cells, plasmablast differentiation, and spike-specific antibody secretion. Features of lymphoid tissue, including the formation of activated CD4+ T cell/B cell clusters and the emigration of matured plasmablasts, were recapitulated in the LO chip. Importantly, myeloid cells were competent at capturing and expressing mRNA vectored by lipid nanoparticles, enabling the assessment of responses to mRNA vaccines. Comparison of on-chip responses to Wuhan monovalent and Wuhan/Omicron bivalent mRNA vaccine boosts showed equivalent induction of Omicron neutralizing antibodies, pointing at immune imprinting as reported in vivo. The LO chip thus represents a versatile platform suited to the preclinical evaluation of vaccine-boosting strategies.