Understanding how SARS-CoV-2 spreads within the respiratory tract is important to define the parameters controlling the severity of COVID-19. Here we examine the functional and structural consequences of SARS-CoV-2 infection in a reconstructed human bronchial epithelium model. SARS-CoV-2 replication causes a transient decrease in epithelial barrier function and disruption of tight junctions, though viral particle crossing remains limited. Rather, SARS-CoV-2 replication leads to a rapid loss of the ciliary layer, characterized at the ultrastructural level by axoneme loss and misorientation of remaining basal bodies. Downregulation of the master regulator of ciliogenesis Foxj1 occurs prior to extensive cilia loss, implicating this transcription factor in the dedifferentiation of ciliated cells. Motile cilia function is compromised by SARS-CoV-2 infection, as measured in a mucociliary clearance assay. Epithelial defense mechanisms, including basal cell mobilization and interferon-lambda induction, ramp up only after the initiation of cilia damage. Analysis of SARS-CoV-2 infection in Syrian hamsters further demonstrates 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 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 is the causative agent behind the COVID-19 pandemic, and responsible for over 170 million infections, and over 3.7 million deaths worldwide. Efforts to test, treat and vaccinate against this pathogen all benefit from an improved understanding of the basic biology of SARS-CoV-2. Both viral and cellular proteases play a crucial role in SARS-CoV-2 replication, and inhibitors targeting proteases have already shown success at inhibiting SARS-CoV-2 in cell culture models. Here, we study proteolytic cleavage of viral and cellular proteins in two cell line models of SARS-CoV-2 replication using mass spectrometry to identify protein neo-N-termini generated through protease activity. We identify previously unknown cleavage sites in multiple viral proteins, including major antigenic proteins S and N, which are the main targets for vaccine and antibody testing efforts. We discovered significant increases in cellular cleavage events consistent with cleavage by SARS-CoV-2 main protease, and identify 14 potential high-confidence substrates of the main and papain-like proteases, validating a subset with in vitro assays. We showed that siRNA depletion of these cellular proteins inhibits SARS-CoV-2 replication, and that drugs targeting two of these proteins: the tyrosine kinase SRC and Ser/Thr kinase MYLK, showed a dose-dependent reduction in SARS-CoV-2 titres. Overall, our study provides a powerful resource to understand proteolysis in the context of viral infection, and to inform the development of targeted strategies to inhibit SARS-CoV-2 and treat COVID-19.

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.