Flexible spikes The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike protein enables viral entry into host cells by binding to the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor and is a major target for neutralizing antibodies. About 20 to 40 spikes decorate the surface of virions. Turoňová et al. now show that the spike is flexibly connected to the viral surface by three hinges that are well protected by glycosylation sites. The flexibility imparted by these hinges may explain how multiple spikes act in concert to engage onto the flat surface of a host cell. Science , this issue p. 203

Measles virus is an aerosol-transmitted virus that affects more than 10 million children each year and accounts for approximately 120,000 deaths. Although it was long believed to replicate in the respiratory epithelium before disseminating, it was recently shown to infect initially macrophages and dendritic cells of the airways using signalling lymphocytic activation molecule family member 1 (SLAMF1; also called CD150) as a receptor. These cells then cross the respiratory epithelium and transport the infection to lymphatic organs where measles virus replicates vigorously. How and where the virus crosses back into the airways has remained unknown. On the basis of functional analyses of surface proteins preferentially expressed on virus-permissive human epithelial cell lines, here we identify nectin-4 (ref. 8; also called poliovirus-receptor-like-4 (PVRL4)) as a candidate host exit receptor. This adherens junction protein of the immunoglobulin superfamily interacts with the viral attachment protein with high affinity through its membrane-distal domain. Nectin-4 sustains measles virus entry and non-cytopathic lateral spread in well-differentiated primary human airway epithelial sheets infected basolaterally. It is downregulated in infected epithelial cells, including those of macaque tracheae. Although other viruses use receptors to enter hosts or transit through their epithelial barriers, we suggest that measles virus targets nectin-4 to emerge in the airways. Nectin-4 is a cellular marker of several types of cancer, which has implications for ongoing measles-virus-based clinical trials of oncolysis.

Abstract The COVID-19 pandemic is caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2) and has spread world-wide with millions of cases and hundreds of thousands of deaths to date. The gravity of the situation mandates accelerated efforts to identify safe and effective vaccines. Here, we generated measles virus (MeV)-based vaccine candidates expressing the SARS-CoV-2 spike glycoprotein (S). Insertion of the full-length S protein gene in two different MeV genomic positions resulted in modulated S protein expression. The variant with lower S protein expression levels was genetically stable and induced high levels of effective Th1-biased antibody and T cell responses in mice after two immunizations. In addition to neutralizing IgG antibody responses in a protective range, multifunctional CD8 + and CD4 + T cell responses with S protein-specific killing activity were detected. These results are highly encouraging and support further development of MeV-based COVID-19 vaccines. Author Contributions CH performed research, analyzed data, and wrote the paper; CS performed research and analyzed data; AA performed research and analyzed data; AE performed research and analyzed data; SM performed research, analyzed data, and wrote the paper; MH developed the bioinformatics pipeline and analyzed data; BS contributed new reagents and concepts; MDM designed and supervised research, analyzed data and wrote the paper; all authors read, corrected and approved the final manuscript. Significance Statement The COVID-19 pandemic has caused hundreds of thousands of deaths, yet. Therefore, effective vaccine concepts are urgently needed. In search for such a concept, we have analysed a measles virus-based vaccine candidate targeting SARS-CoV-2. Using this well known, safe vaccine backbone, we demonstrate here induction of functional immune responses in both arms of adaptive immunity with the desired immune bias. Therefore, occurrence of immunopathologies such as antibody-dependent enhancement or enhanced respiratory disease is rather unlikely. Moreover, the candidate still induces immunity against the measles, recognized as a looming second menace, when countries are entrapped to stop routine vaccination campaigns in the face of COVID-19. Thus, a bivalent measles-based COVID-19 vaccine could be the solution for two significant public health threats.

ABSTRACT Since December 2019, the novel human coronavirus SARS-CoV-2 has spread globally, causing millions of deaths. Unprecedented efforts have enabled development and authorization of a range of vaccines, which reduce transmission rates and confer protection against the associated disease COVID-19. These vaccines are conceptually diverse, including e.g. classical adjuvanted whole-inactivated virus, viral vectors, and mRNA vaccines. We have analysed two prototypic model vaccines, the strongly T H 1-biased measles vaccine-derived candidate MeV vac2 -SARS2-S(H) and a T H 2-biased Alum-adjuvanted, non-stabilized Spike (S) protein side-by-side, for their ability to protect Syrian hamsters upon challenge with a low-passage SARS-CoV-2 patient isolate. As expected, the MeV vac2 -SARS2-S(H) vaccine protected the hamsters safely from severe disease. In contrast, the protein vaccine induced vaccine-associated enhanced respiratory disease (VAERD) with massive infiltration of eosinophils into the lungs. Global RNA-Seq analysis of hamster lungs revealed reduced viral RNA and less host dysregulation in MeV vac2 -SARS2-S(H) vaccinated animals, while S protein vaccination triggered enhanced host gene dysregulation compared to unvaccinated control animals. Of note, mRNAs encoding the major eosinophil attractant CCL-11, the T H 2 response-driving cytokine IL-19, as well as T H 2-cytokines IL-4, IL-5, and IL-13 were exclusively up-regulated in the lungs of S protein vaccinated animals, consistent with previously described VAERD induced by RSV vaccine candidates. IL-4, IL-5, and IL-13 were also up-regulated in S-specific splenocytes after protein vaccination. Using scRNA-Seq, T cells and innate lymphoid cells were identified as the source of these cytokines, while Ccl11 and Il19 mRNAs were expressed in lung macrophages displaying an activated phenotype. Interestingly, the amount of viral reads in this macrophage population correlated with the abundance of Fc-receptor reads. These findings suggest that VAERD is triggered by induction of T H 2-type helper cells secreting IL-4, IL-5, and IL-13, together with stimulation of macrophage subsets dependent on non-neutralizing antibodies. Via this mechanism, uncontrolled eosinophil recruitment to the infected tissue occurs, a hallmark of VAERD immunopathogenesis. These effects could effectively be treated using dexamethasone and were not observed in animals vaccinated with MeV vac2 -SARS2-S(H). Taken together, our data validate the potential of T H 2-biased COVID-19 vaccines and identify the transcriptional mediators that underlie VAERD, but confirm safety of T H 1-biased vaccine concepts such as vector-based or mRNA vaccines. Dexamethasone, which is already in use for treatment of severe COVID-19, may alleviate such VAERD, but in-depth scrutiny of any next-generation protein-based vaccine candidates is required, prior and after their regulatory approval.

Abstract The spike (S) protein of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is required for cell entry and is the major focus for vaccine development. We combine cryo electron tomography, subtomogram averaging and molecular dynamics simulations to structurally analyze S in situ . Compared to recombinant S, the viral S is more heavily glycosylated and occurs predominantly in a closed pre-fusion conformation. We show that the stalk domain of S contains three hinges that give the globular domain unexpected orientational freedom. We propose that the hinges allow S to scan the host cell surface, shielded from antibodies by an extensive glycan coat. The structure of native S contributes to our understanding of SARS-CoV-2 infection and the development of safe vaccines. The large scale tomography data set of SARS-CoV-2 used for this study is therefore sufficient to resolve structural features to below 5 Ångstrom, and is publicly available at EMPIAR-10453.

Abstract SARS-CoV-2 entry is promoted by both cell-surface TMPRSS2 and endolysosomal cathepsins. To investigate the impact of differentially routed virions on host and viral processes, lung epithelial cells expressing distinct combinations of entry factors were infected with authentic viruses. Entry route determined early rates of viral replication and transcription, egress and inhibitor sensitivity, with differences observed between virus strains. Transcriptional profiling revealed that induction of innate immunity was correlated to viral genome and transcript abundance in infected cells. Surface entry triggered early activation of antiviral responses, reducing cumulative virion production, while endolysosomal entry delayed antiviral responses and prolonged virus shedding due to extended cell viability. The likely molecular footprints of escape from antiviral effector targeting were also recorded in viral genomes and correlated with entry route-dependent immune status of cells. TMPRSS2 orthologues from diverse mammals, but not zebra fish, facilitated infection enhancement, which was more pronounced for ancestral strains. Leveraging RNA-seq and scRNA-seq datasets from SARS-CoV-2 infected hamsters, we validate aspects of our model in vivo . In summary, we demonstrate that distinct cellular and viral processes are linked to viral entry route, collectively modulating virus shedding, cell-death rates and viral genome evolution.

The accessory protease transmembrane protease serine 2 (TMPRSS2) enhances severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) uptake into ACE2-expressing cells, although how increased entry impacts downstream viral and host processes remains unclear. To investigate this in more detail, we performed infection assays in engineered cells promoting ACE2-mediated entry with and without TMPRSS2 coexpression. Electron microscopy and inhibitor experiments indicated TMPRSS2-mediated cell entry was associated with increased virion internalization into endosomes, and partially dependent upon clathrin-mediated endocytosis. TMPRSS2 increased panvariant uptake efficiency and enhanced early rates of virus replication, transcription, and secretion, with variant-specific profiles observed. On the host side, transcriptional profiling confirmed the magnitude of infection-induced antiviral and proinflammatory responses were linked to uptake efficiency, with TMPRSS2-assisted entry boosting early antiviral responses. In addition, TMPRSS2-enhanced infections increased rates of cytopathology, apoptosis, and necrosis and modulated virus secretion kinetics in a variant-specific manner. On the virus side, convergent signatures of cell-uptake-dependent innate immune induction were recorded in viral genomes, manifesting as switches in dominant coupled Nsp3 residues whose frequencies were correlated to the magnitude of the cellular response to infection. Experimentally, we demonstrated that selected Nsp3 mutations conferred enhanced interferon antagonism. More broadly, we show that TMPRSS2 orthologues from evolutionarily diverse mammals facilitate panvariant enhancement of cell uptake. In summary, our study uncovers previously unreported associations, linking cell entry efficiency to innate immune activation kinetics, cell death rates, virus secretion dynamics, and convergent selection of viral mutations. These data expand our understanding of TMPRSS2's role in the SARS-CoV-2 life cycle and confirm its broader significance in zoonotic reservoirs and animal models.