During the summer of 2012, in Jeddah, Saudi Arabia, a hitherto unknown coronavirus (CoV) was isolated from the sputum of a patient with acute pneumonia and renal failure (1, 2). The isolate was provisionally called human coronavirus Erasmus Medical Center (EMC) (3). Shortly thereafter, in September 2012, the same type of virus, named human coronavirus England 1, was recovered from a patient with severe respiratory illness who had been transferred from the Gulf region of the Middle East to London, United Kingdom (4) (GenBank accession no. KC164505.2). The onset of the new disease was traced back to an even earlier time point. Already in April 2012, a cluster of pneumonia cases in health care workers had occurred in an intensive care unit of a hospital in Zarqa, Jordan (5). Two persons died, both of whom were confirmed to have been infected with the novel coronavirus through a retrospective analysis of stored samples (6). These findings met with considerable concern. Although the number of laboratory-confirmed cases is limited (34 as of 12 May 2013), the morbidity and mortality of the infection is alarming, as is its uncanny resemblance—at least in its clinical features—to severe acute respiratory syndrome (SARS). While in a small minority of the known cases the patients developed mild disease, most patients presented with a severe acute respiratory condition requiring hospitalization; the mortality rate is approximately 60% (7).

Positive-strand RNA viruses, a large group including human pathogens such as SARS-coronavirus (SARS-CoV), replicate in the cytoplasm of infected host cells. Their replication complexes are commonly associated with modified host cell membranes. Membrane structures supporting viral RNA synthesis range from distinct spherular membrane invaginations to more elaborate webs of packed membranes and vesicles. Generally, their ultrastructure, morphogenesis, and exact role in viral replication remain to be defined. Poorly characterized double-membrane vesicles (DMVs) were previously implicated in SARS-CoV RNA synthesis. We have now applied electron tomography of cryofixed infected cells for the three-dimensional imaging of coronavirus-induced membrane alterations at high resolution. Our analysis defines a unique reticulovesicular network of modified endoplasmic reticulum that integrates convoluted membranes, numerous interconnected DMVs (diameter 200–300 nm), and "vesicle packets" apparently arising from DMV merger. The convoluted membranes were most abundantly immunolabeled for viral replicase subunits. However, double-stranded RNA, presumably revealing the site of viral RNA synthesis, mainly localized to the DMV interior. Since we could not discern a connection between DMV interior and cytosol, our analysis raises several questions about the mechanism of DMV formation and the actual site of SARS-CoV RNA synthesis. Our data document the extensive virus-induced reorganization of host cell membranes into a network that is used to organize viral replication and possibly hide replicating RNA from antiviral defense mechanisms. Together with biochemical studies of the viral enzyme complex, our ultrastructural description of this "replication network" will aid to further dissect the early stages of the coronavirus life cycle and its virus-host interactions.

ABSTRACT A novel human coronavirus (HCoV-EMC/2012) was isolated from a man with acute pneumonia and renal failure in June 2012. This report describes the complete genome sequence, genome organization, and expression strategy of HCoV-EMC/2012 and its relation with known coronaviruses. The genome contains 30,119 nucleotides and contains at least 10 predicted open reading frames, 9 of which are predicted to be expressed from a nested set of seven subgenomic mRNAs. Phylogenetic analysis of the replicase gene of coronaviruses with completely sequenced genomes showed that HCoV-EMC/2012 is most closely related to Tylonycteris bat coronavirus HKU4 (BtCoV-HKU4) and Pipistrellus bat coronavirus HKU5 (BtCoV-HKU5), which prototype two species in lineage C of the genus Betacoronavirus . In accordance with the guidelines of the International Committee on Taxonomy of Viruses, and in view of the 75% and 77% amino acid sequence identity in 7 conserved replicase domains with BtCoV-HKU4 and BtCoV-HKU5, respectively, we propose that HCoV-EMC/2012 prototypes a novel species in the genus Betacoronavirus . HCoV-EMC/2012 may be most closely related to a coronavirus detected in Pipistrellus pipistrellus in The Netherlands, but because only a short sequence from the most conserved part of the RNA-dependent RNA polymerase-encoding region of the genome was reported for this bat virus, its genetic distance from HCoV-EMC remains uncertain. HCoV-EMC/2012 is the sixth coronavirus known to infect humans and the first human virus within betacoronavirus lineage C. IMPORTANCE Coronaviruses are capable of infecting humans and many animal species. Most infections caused by human coronaviruses are relatively mild. However, the outbreak of severe acute respiratory syndrome (SARS) caused by SARS-CoV in 2002 to 2003 and the fatal infection of a human by HCoV-EMC/2012 in 2012 show that coronaviruses are able to cause severe, sometimes fatal disease in humans. We have determined the complete genome of HCoV-EMC/2012 using an unbiased virus discovery approach involving next-generation sequencing techniques, which enabled subsequent state-of-the-art bioinformatics, phylogenetics, and taxonomic analyses. By establishing its complete genome sequence, HCoV-EMC/2012 was characterized as a new genotype which is closely related to bat coronaviruses that are distant from SARS-CoV. We expect that this information will be vital to rapid advancement of both clinical and vital research on this emerging pathogen.

A novel coronavirus is the causative agent of the current epidemic of severe acute respiratory syndrome (SARS). Coronaviruses are exceptionally large RNA viruses and employ complex regulatory mechanisms to express their genomes. Here, we determined the sequence of SARS coronavirus (SARS-CoV), isolate Frankfurt 1, and characterized key RNA elements and protein functions involved in viral genome expression. Important regulatory mechanisms, such as the (discontinuous) synthesis of eight subgenomic mRNAs, ribosomal frameshifting and post-translational proteolytic processing, were addressed. Activities of three SARS coronavirus enzymes, the helicase and two cysteine proteinases, which are known to be critically involved in replication, transcription and/or post-translational polyprotein processing, were characterized. The availability of recombinant forms of key replicative enzymes of SARS coronavirus should pave the way for high-throughput screening approaches to identify candidate inhibitors in compound libraries.

Increasing the intracellular Zn2+ concentration with zinc-ionophores like pyrithione (PT) can efficiently impair the replication of a variety of RNA viruses, including poliovirus and influenza virus. For some viruses this effect has been attributed to interference with viral polyprotein processing. In this study we demonstrate that the combination of Zn2+ and PT at low concentrations (2 µM Zn2+ and 2 µM PT) inhibits the replication of SARS-coronavirus (SARS-CoV) and equine arteritis virus (EAV) in cell culture. The RNA synthesis of these two distantly related nidoviruses is catalyzed by an RNA-dependent RNA polymerase (RdRp), which is the core enzyme of their multiprotein replication and transcription complex (RTC). Using an activity assay for RTCs isolated from cells infected with SARS-CoV or EAV—thus eliminating the need for PT to transport Zn2+ across the plasma membrane—we show that Zn2+ efficiently inhibits the RNA-synthesizing activity of the RTCs of both viruses. Enzymatic studies using recombinant RdRps (SARS-CoV nsp12 and EAV nsp9) purified from E. coli subsequently revealed that Zn2+ directly inhibited the in vitro activity of both nidovirus polymerases. More specifically, Zn2+ was found to block the initiation step of EAV RNA synthesis, whereas in the case of the SARS-CoV RdRp elongation was inhibited and template binding reduced. By chelating Zn2+ with MgEDTA, the inhibitory effect of the divalent cation could be reversed, which provides a novel experimental tool for in vitro studies of the molecular details of nidovirus replication and transcription.

The specificity of interferon effectors across an expanded range of viruses is studied, with results indicating that positive-sense single-stranded RNA viruses are more susceptible to interferon-stimulated gene activity than negative-sense RNA or DNA viruses; in addition, the DNA sensor cGAS is shown to have an unappreciated role in RNA virus inhibition. This study reports the use of cell culture models to scan an extensive interferon-stimulated gene (ISG) library for activity against a broad spectrum of viruses. The scan reveals that positive-sense single-stranded (ss)RNA viruses are more susceptible to ISG activities than negative-sense ssRNA viruses or a DNA virus. The DNA sensor cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) is shown to inhibit several RNA viruses. The authors also generated cGAS knockout mice and showed an in vivo requirement for cGAS in antiviral responses. The type I interferon (IFN) response protects cells from viral infection by inducing hundreds of interferon-stimulated genes (ISGs), some of which encode direct antiviral effectors1,2,3. Recent screening studies have begun to catalogue ISGs with antiviral activity against several RNA and DNA viruses4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. However, antiviral ISG specificity across multiple distinct classes of viruses remains largely unexplored. Here we used an ectopic expression assay to screen a library of more than 350 human ISGs for effects on 14 viruses representing 7 families and 11 genera. We show that 47 genes inhibit one or more viruses, and 25 genes enhance virus infectivity. Comparative analysis reveals that the screened ISGs target positive-sense single-stranded RNA viruses more effectively than negative-sense single-stranded RNA viruses. Gene clustering highlights the cytosolic DNA sensor cyclic GMP-AMP synthase (cGAS, also known as MB21D1) as a gene whose expression also broadly inhibits several RNA viruses. In vitro, lentiviral delivery of enzymatically active cGAS triggers a STING-dependent, IRF3-mediated antiviral program that functions independently of canonical IFN/STAT1 signalling. In vivo, genetic ablation of murine cGAS reveals its requirement in the antiviral response to two DNA viruses, and an unappreciated contribution to the innate control of an RNA virus. These studies uncover new paradigms for the preferential specificity of IFN-mediated antiviral pathways spanning several virus families.

ABSTRACT Coronaviruses can cause respiratory and enteric disease in a wide variety of human and animal hosts. The 2003 outbreak of severe acute respiratory syndrome (SARS) first demonstrated the potentially lethal consequences of zoonotic coronavirus infections in humans. In 2012, a similar previously unknown coronavirus emerged, Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV), thus far causing over 650 laboratory-confirmed infections, with an unexplained steep rise in the number of cases being recorded over recent months. The human MERS fatality rate of ∼30% is alarmingly high, even though many deaths were associated with underlying medical conditions. Registered therapeutics for the treatment of coronavirus infections are not available. Moreover, the pace of drug development and registration for human use is generally incompatible with strategies to combat emerging infectious diseases. Therefore, we have screened a library of 348 FDA-approved drugs for anti-MERS-CoV activity in cell culture. If such compounds proved sufficiently potent, their efficacy might be directly assessed in MERS patients. We identified four compounds (chloroquine, chlorpromazine, loperamide, and lopinavir) inhibiting MERS-CoV replication in the low-micromolar range (50% effective concentrations [EC 50 s], 3 to 8 μM). Moreover, these compounds also inhibit the replication of SARS coronavirus and human coronavirus 229E. Although their protective activity (alone or in combination) remains to be assessed in animal models, our findings may offer a starting point for treatment of patients infected with zoonotic coronaviruses like MERS-CoV. Although they may not necessarily reduce viral replication to very low levels, a moderate viral load reduction may create a window during which to mount a protective immune response.

Significance The 2003 severe acute respiratory syndrome (SARS) epidemic and recent emergence of Middle East respiratory syndrome highlight the potential lethality of zoonotic coronavirus infections in humans. No specific antiviral treatment options are available. Coronaviruses possess the largest known RNA virus genomes and encode a complex replication machinery consisting of 16 viral nonstructural proteins (nsps). Our study reveals that the SARS-coronavirus RNA polymerase (nsp12) needs to associate with nsp7 and nsp8 to activate its capability to replicate long RNA. Moreover, this complex associates with nsp14, the proofreading subunit required to safeguard coronavirus replication fidelity. Our study thus defines the core of an RNA-synthesizing machinery that is unique in the RNA virus world and includes several key targets for antiviral drug development.

The sudden emergence of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) at the end of 2019 from the Chinese province of Hubei and its subsequent pandemic spread highlight the importance of understanding the full molecular details of coronavirus infection and pathogenesis. Here, we compared a variety of replication features of SARS-CoV-2 and SARS-CoV and analysed the cytopathology caused by the two closely related viruses in the commonly used Vero E6 cell line. Compared to SARS-CoV, SARS-CoV-2 generated higher levels of intracellular viral RNA, but strikingly about 50-fold less infectious viral progeny was recovered from the culture medium. Immunofluorescence microscopy of SARS-CoV-2-infected cells established extensive cross-reactivity of antisera previously raised against a variety of non-structural proteins, membrane and nucleocapsid protein of SARS-CoV. Electron microscopy revealed that the ultrastructural changes induced by the two SARS viruses are very similar and occur within comparable time frames after infection. Furthermore, we determined that the sensitivity of the two viruses to three established inhibitors of coronavirus replication (remdesivir, alisporivir and chloroquine) is very similar, but that SARS-CoV-2 infection was substantially more sensitive to pre-treatment of cells with pegylated interferon alpha. An important difference between the two viruses is the fact that – upon passaging in Vero E6 cells – SARS-CoV-2 apparently is under strong selection pressure to acquire adaptive mutations in its spike protein gene. These mutations change or delete a putative furin-like cleavage site in the region connecting the S1 and S2 domains and result in a very prominent phenotypic change in plaque assays.

The main protease of coronaviruses and the 3C protease of enteroviruses share a similar active-site architecture and a unique requirement for glutamine in the P1 position of the substrate. Because of their unique specificity and essential role in viral polyprotein processing, these proteases are suitable targets for the development of antiviral drugs. In order to obtain near-equipotent, broad-spectrum antivirals against alphacoronaviruses, betacoronaviruses, and enteroviruses, we pursued a structure-based design of peptidomimetic α-ketoamides as inhibitors of main and 3C proteases. Six crystal structures of protease–inhibitor complexes were determined as part of this study. Compounds synthesized were tested against the recombinant proteases as well as in viral replicons and virus-infected cell cultures; most of them were not cell-toxic. Optimization of the P2 substituent of the α-ketoamides proved crucial for achieving near-equipotency against the three virus genera. The best near-equipotent inhibitors, 11u (P2 = cyclopentylmethyl) and 11r (P2 = cyclohexylmethyl), display low-micromolar EC50 values against enteroviruses, alphacoronaviruses, and betacoronaviruses in cell cultures. In Huh7 cells, 11r exhibits three-digit picomolar activity against the Middle East Respiratory Syndrome coronavirus.