A newly described coronavirus named severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), which is the causative agent of coronavirus disease 2019 (COVID-19), has infected over 2.3 million people, led to the death of more than 160,000 individuals and caused worldwide social and economic disruption1,2. There are no antiviral drugs with proven clinical efficacy for the treatment of COVID-19, nor are there any vaccines that prevent infection with SARS-CoV-2, and efforts to develop drugs and vaccines are hampered by the limited knowledge of the molecular details of how SARS-CoV-2 infects cells. Here we cloned, tagged and expressed 26 of the 29 SARS-CoV-2 proteins in human cells and identified the human proteins that physically associated with each of the SARS-CoV-2 proteins using affinity-purification mass spectrometry, identifying 332 high-confidence protein-protein interactions between SARS-CoV-2 and human proteins. Among these, we identify 66 druggable human proteins or host factors targeted by 69 compounds (of which, 29 drugs are approved by the US Food and Drug Administration, 12 are in clinical trials and 28 are preclinical compounds). We screened a subset of these in multiple viral assays and found two sets of pharmacological agents that displayed antiviral activity: inhibitors of mRNA translation and predicted regulators of the sigma-1 and sigma-2 receptors. Further studies of these host-factor-targeting agents, including their combination with drugs that directly target viral enzymes, could lead to a therapeutic regimen to treat COVID-19.

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

The COVID-19 pandemic, caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), is a grave threat to public health and the global economy. SARS-CoV-2 is closely related to the more lethal but less transmissible coronaviruses SARS-CoV-1 and Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV). Here, we have carried out comparative viral-human protein-protein interaction and viral protein localization analyses for all three viruses. Subsequent functional genetic screening identified host factors that functionally impinge on coronavirus proliferation, including Tom70, a mitochondrial chaperone protein that interacts with both SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2 ORF9b, an interaction we structurally characterized using cryo-electron microscopy. Combining genetically validated host factors with both COVID-19 patient genetic data and medical billing records identified molecular mechanisms and potential drug treatments that merit further molecular and clinical study.

Nanobodies that neutralize Monoclonal antibodies that bind to the spike protein of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) show therapeutic promise but must be produced in mammalian cells and need to be delivered intravenously. By contrast, single-domain antibodies called nanobodies can be produced in bacteria or yeast, and their stability may enable aerosol delivery. Two papers now report nanobodies that bind tightly to spike and efficiently neutralize SARS-CoV-2 in cells. Schoof et al. screened a yeast surface display of synthetic nanobodies and Xiang et al. screened anti-spike nanobodies produced by a llama. Both groups identified highly potent nanobodies that lock the spike protein in an inactive conformation. Multivalent constructs of selected nanobodies achieved even more potent neutralization. Science , this issue p. 1473 , p. 1479

Without an effective prophylactic solution, infections from SARS-CoV-2 continue to rise worldwide with devastating health and economic costs. SARS-CoV-2 gains entry into host cells via an interaction between its Spike protein and the host cell receptor angiotensin converting enzyme 2 (ACE2). Disruption of this interaction confers potent neutralization of viral entry, providing an avenue for vaccine design and for therapeutic antibodies. Here, we develop single-domain antibodies (nanobodies) that potently disrupt the interaction between the SARS-CoV-2 Spike and ACE2. By screening a yeast surface-displayed library of synthetic nanobody sequences, we identified a panel of nanobodies that bind to multiple epitopes on Spike and block ACE2 interaction via two distinct mechanisms. Cryogenic electron microscopy (cryo-EM) revealed that one exceptionally stable nanobody, Nb6, binds Spike in a fully inactive conformation with its receptor binding domains (RBDs) locked into their inaccessible down-state, incapable of binding ACE2. Affinity maturation and structure-guided design of multivalency yielded a trivalent nanobody, mNb6-tri, with femtomolar affinity for SARS-CoV-2 Spike and picomolar neutralization of SARS-CoV-2 infection. mNb6-tri retains stability and function after aerosolization, lyophilization, and heat treatment. These properties may enable aerosol-mediated delivery of this potent neutralizer directly to the airway epithelia, promising to yield a widely deployable, patient-friendly prophylactic and/or early infection therapeutic agent to stem the worst pandemic in a century.

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 Animal models are essential to understand COVID-19 pathophysiology and for pre-clinical assessment of drugs and other therapeutic or prophylactic interventions. We explored the small, cheap and transparent zebrafish larva as a potential host for SARS-CoV-2. Bath exposure, as well as microinjection in the coelom, pericardium, brain ventricle, bloodstream, or yolk, did not result in detectable SARS-CoV-2 replication in wild-type larvae. However, when the virus was inoculated in the swim bladder, a modest increase in viral RNA was observed after 24 hours, suggesting a successful infection in some animals. This was confirmed by immunohistochemistry, with cells positive for SARS-CoV-2 nucleoprotein observed in the swim bladder. Several variants of concern were also tested with no evidence of increased infectivity in our model. Low infectivity of SARS-CoV-2 in zebrafish larvae was not due to the host type I interferon response, as comparable viral loads were detected in type I interferon-deficient animals. Mosaic overexpression of human ACE2 was not sufficient to increase SARS-CoV-2 infectivity in zebrafish embryos or in fish cells in vitro. In conclusion, wild-type zebrafish larvae appear mostly non-permissive to SARS-CoV-2, except in the swim bladder, an aerial organ sharing similarities with the mammalian lung.

Repurposing drugs as treatments for COVID-19 has drawn much attention. A common strategy has been to screen for established drugs, typically developed for other indications, that are antiviral in cells or organisms. Intriguingly, most of the drugs that have emerged from these campaigns, though diverse in structure, share a common physical property: cationic amphiphilicity. Provoked by the similarity of these repurposed drugs to those inducing phospholipidosis, a well-known drug side effect, we investigated phospholipidosis as a mechanism for antiviral activity. We tested 23 cationic amphiphilic drugs-including those from phenotypic screens and others that we ourselves had found-for induction of phospholipidosis in cell culture. We found that most of the repurposed drugs, which included hydroxychloroquine, azithromycin, amiodarone, and four others that have already progressed to clinical trials, induced phospholipidosis in the same concentration range as their antiviral activity; indeed, there was a strong monotonic correlation between antiviral efficacy and the magnitude of the phospholipidosis. Conversely, drugs active against the same targets that did not induce phospholipidosis were not antiviral. Phospholipidosis depends on the gross physical properties of drugs, and does not reflect specific target-based activities, rather it may be considered a confound in early drug discovery. Understanding its role in infection, and detecting its effects rapidly, will allow the community to better distinguish between drugs and lead compounds that more directly impact COVID-19 from the large proportion of molecules that manifest this confounding effect, saving much time, effort and cost.

Abstract Small linear motif targeting protein interacting domains called PDZ have been identified at the C-terminus of the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) proteins E, 3a, and N. Using a high-throughput approach of affinity-profiling against the full human PDZome, we identified sixteen human PDZ binders of SARS-CoV-2 proteins E, 3A and N showing significant interactions with dissociation constants values ranging from 3 μM to 82 μM. Six of them (TJP1, PTPN13, HTRA1, PARD3, MLLT4, LNX2) are also recognized by SARS-CoV while three (NHERF1, MAST2, RADIL) are specific to SARS-CoV-2 E protein. Most of these SARS-CoV-2 protein partners are involved in cellular junctions/polarity and could be also linked to evasion mechanisms of the immune responses during viral infection. Seven of the PDZ-containing proteins among binders of the SARS-CoV-2 proteins E, 3a or N affect significantly viral replication under knock-down gene expression in infected cells. This PDZ profiling identifying human proteins potentially targeted by SARS-CoV-2 can help to understand the multifactorial severity of COVID19 and to conceive effective anti-coronaviral agents for therapeutic purposes.

Segmented negative-strand RNA viruses (sNSVs) include the influenza viruses, the bunyaviruses, and other major pathogens of humans, other animals and plants. The genomes of these viruses are extremely short. In response to this severe genetic constraint, sNSVs use a variety of strategies to maximise their coding potential. Because the eukaryotic hosts parasitized by sNSVs can regulate gene expression through low levels of translation initiation upstream of their canonical open reading frames (ORFs), we asked whether sNSVs could use upstream translation initiation to expand their own genetic repertoires. Consistent with this hypothesis, we showed that influenza A viruses (IAVs) and bunyaviruses were capable of upstream translation initiation. Using a combination of reporter assays and viral infections, we found that upstream translation in IAVs can initiate in two unusual ways: through non-AUG initiation in virally encoded 'untranslated' regions, and through the appropriation of an AUG-containing leader sequence from host mRNAs through viral cap-snatching, a process we termed 'start-snatching.' Finally, while upstream translation of cellular genes is mainly regulatory, for sNSVs it also has the potential to create novel viral gene products. If in frame with a viral ORF, this creates N-extensions of canonical viral proteins. If not, it allows the expression of cryptic overlapping ORFs, which we found were highly conserved in IAV and widely distributed in peribunyaviruses. Thus, by exploiting their host's capacity for upstream translation initiation, sNSVs can expand still further the coding potential of their extremely compact RNA genomes.