Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the etiologic agent of coronavirus disease 19 (COVID-19), which ranges from mild respiratory symptoms to acute respiratory distress syndrome, and death in the most severe cases. Immune dysregulation with altered innate cytokine responses is thought to contribute to disease severity. Here, we characterized in depth host cell responses against SARS-CoV-2 in primary human airway epithelia (HAE) and immortalized cell lines. Our results demonstrate that primary HAE and model cells elicit a robust induction of type I and III interferons (IFNs). Importantly, we show for the first time that melanoma differentiation associated gene (MDA)-5 is the main sensor of SARS-CoV-2 in lung cells. IFN exposure strongly inhibited viral replication and de novo production of infectious virions. However, despite high levels of IFNs produced in response to SARS-CoV-2 infection, the IFN response was unable to control viral replication in lung cells, contrary to what was previously reported in intestinal epithelial cells. Altogether, these results highlight the complex and ambiguous interplay between viral replication and the timing of IFN responses.IMPORTANCE Mammalian cells express sensors able to detect specific features of pathogens and induce the interferon response, which is one of the first line of defenses against viruses and help controlling viral replication. The mechanisms and impact of SARS-CoV-2 sensing in lung epithelial cells remained to be deciphered. In this study, we report that despite a high production of type I and III interferons specifically induced by MDA-5-mediated sensing of SARS-CoV-2, primary and immortalized lung epithelial cells are unable to control viral replication. However, exogenous interferons potently inhibited replication, if provided early upon viral exposure. A better understanding of the ambiguous interplay between the interferon response and SARS-CoV-2 replication is essential to guide future therapeutical interventions.

Abstract Several genome-wide CRISPR knockout screens have been conducted to identify host factors regulating SARS-CoV-2 replication, but the models used have often relied on overexpression of ACE2 receptor. Additionally, such screens have yet to identify the protease TMPRSS2, known to be important for viral entry at the plasma membrane. Here, we conducted a meta-analysis of these screens and showed a high level of cell-type specificity of the identified hits, arguing for the necessity of additional models to uncover the full landscape of SARS-CoV-2 host factors. We performed genome-wide knockout and activation CRISPR screens in Calu-3 lung epithelial cells, as well as knockout screens in Caco-2 intestinal cells. In addition to identifying ACE2 and TMPRSS2 as top hits, our study reveals a series of so far unidentified and critical host-dependency factors, including the Adaptins AP1G1 and AP1B1 and the flippase ATP8B1. Moreover, new anti-SARS-CoV-2 proteins with potent activity, including several membrane-associated Mucins, IL6R, and CD44 were identified. We further observed that these genes mostly acted at the critical step of viral entry, with the notable exception of ATP8B1, the knockout of which prevented late stages of viral replication. Exploring the pro- and anti-viral breadth of these genes using highly pathogenic MERS-CoV, seasonal HCoV-NL63 and -229E and influenza A orthomyxovirus, we reveal that some genes such as AP1G1 and ATP8B1 are general coronavirus cofactors. In contrast, Mucins recapitulated their known role as a general antiviral defense mechanism. These results demonstrate the value of considering multiple cell models and perturbational modalities for understanding SARS-CoV-2 replication and provide a list of potential new targets for therapeutic interventions.

Abstract SARS-CoV-2, the causative agent of the COVID-19 pandemic, drastically modifies infected cells in an effort to optimize virus replication. Included is the activation of the host p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway, which plays a major role in inflammation and is a central driver of COVID-19 clinical presentations. Inhibition of p38/MAPK activity in SARS-CoV-2-infected cells reduces both cytokine production and viral replication. Here, we combined genetic screening with quantitative phosphoproteomics to better understand interactions between the p38/MAPK pathway and SARS-CoV-2. We found that several components of the p38/MAPK pathway impacted SARS-CoV-2 replication and that p38β is a critical host factor for virus replication, and it prevents activation of the type-I interferon pathway. Quantitative phosphoproteomics uncovered several SARS-CoV-2 nucleocapsid phosphorylation sites near the N-terminus that were sensitive to p38 inhibition. Similar to p38β depletion, mutation of these nucleocapsid residues was associated with reduced virus replication and increased activation of type-I interferon signaling. Taken together, this study reveals a unique proviral function for p38β that is not shared with p38α and supports exploring p38β inhibitor development as a strategy towards developing a new class of COVID-19 therapies. Importance SARS-CoV-2 is the causative agent of the COVID-19 pandemic that has claimed millions of lives since its emergence in 2019. SARS-CoV-2 infection of human cells requires the activity of several cellular pathways for successful replication. One such pathway, the p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway, is required for virus replication and disease pathogenesis. Here, we applied systems biology approaches to understand how MAPK pathways benefit SARS-CoV-2 replication to inform the development of novel COVID-19 drug therapies.

Abstract Genome-wide screens are powerful approaches to unravel new regulators of viral infections. Here, we used a CRISPR/Cas9 screen to reveal new HIV-1 inhibitors. This approach led us to identify the RNA helicase DDX42 as an intrinsic antiviral inhibitor. DDX42 was previously described as a non-processive helicase, able to bind RNA secondary structures such as G-quadruplexes, with no clearly defined function ascribed. Our data show that depletion of endogenous DDX42 significantly increased HIV-1 DNA accumulation and infection in cell lines and primary cells. DDX42 overexpression inhibited HIV-1, whereas a dominant-negative mutant increased infection. Importantly, DDX42 also restricted retrotransposition of LINE-1, infection with other retroviruses and positive-strand RNA viruses, including CHIKV and SARS-CoV-2. However, DDX42 did not inhibit infection with three negative-strand RNA viruses, arguing against a general, unspecific effect on target cells, which was confirmed by RNA-seq analysis. DDX42 was found in the vicinity of viral elements by proximity ligation assays, and cross-linking RNA immunoprecipitation confirmed a specific interaction of DDX42 with RNAs from sensitive viruses. This strongly suggested a direct mode of action of DDX42 on viral ribonucleoprotein complexes. Taken together, our results show for the first time a new and important role of DDX42 in intrinsic antiviral immunity.

Abstract SARS-CoV-2 (CoV2) is the viral agent responsible for the pandemic of the coronavirus disease 2019 (COVID-19). Vaccines are being deployed all over the world with good efficacy, but there is no approved antiviral treatment to date. This is particularly needed since the emergence of variants and the potential immune escape may prolong pandemic spreading of the infection for much longer than anticipated. Here, we developed a series of small molecules and identified RG10 as a potent antiviral compound against SARS-CoV-2 in cell lines and human airway epithelia (HAE). RG10 localizes to endoplasmic reticulum (ER) membranes, perturbing ER morphology and inducing ER stress. Yet, RG10 does not associate with SARS-CoV-2 replication sites although preventing virus replication. To further investigate the antiviral properties of our compound, we developed fluorescent SARS-CoV-2 viral particles allowing us to track virus arrival to ER membranes. Live cell imaging of replication-competent virus infection revealed that RG10 stalls the intracellular virus-ER dynamics. Finally, we synthesized RG10b, a stable version of RG10, that showed increased potency in vitro and in HAE with a pharmacokinetic half-life greater than 2 h. Together, our work reports on a novel fluorescent virus model and innovative antiviral strategy consisting of the perturbation of ER/virus dynamics, highlighting the promising antiviral properties of RG10 and RG10b.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the third highly pathogenic coronavirus to spill over to humans in less than 20 years, after SARS-CoV-1 in 2002-2003 and Middle East respiratory syndrome (MERS)-CoV in 2012. SARS-CoV-2 is the etiologic agent of coronavirus disease 19 (COVID-19), which ranges from mild respiratory symptoms to severe lung injury and death in the most severe cases. The COVID-19 pandemic is currently a major health issue worldwide. Immune dysregulation characterized by altered innate cytokine responses is thought to contribute to the pathology of COVID-19 patients, which is a testimony of the fundamental role of the innate immune response against SARS-CoV-2. Here, we further characterized the host cell antiviral response against SARS-CoV-2 by using primary human airway epithelia and immortalized model cell lines. We mainly focused on the type I and III interferon (IFN) responses, which lead to the establishment of an antiviral state through the expression of IFN-stimulated genes (ISGs). Our results demonstrate that both primary airway epithelial cells and model cell lines elicit a robust immune response characterized by a strong induction of type I and III IFN through the detection of viral pathogen molecular patterns (PAMPs) by melanoma differentiation associated gene (MDA)-5. However, despite the high levels of type I and III IFNs produced in response to SARS-CoV-2 infection, the IFN response was unable to control viral replication, whereas IFN pre-treatment strongly inhibited viral replication and de novo production of infectious virions. Taken together, these results highlight the complex and ambiguous interplay between viral replication and the timing of IFN responses.

Abstract Alphaviruses encode an error-prone RNA-dependent RNA polymerase (RdRp), nsP4, required for genome synthesis, yet how the RdRp functions in the complete alphavirus life cycle is not well-defined. Previous work using chikungunya virus (CHIKV) has established the importance of the nsP4 residue cysteine 483 in maintaining viral genetic fidelity. Given the location of residue C483 in the nsP4 palm domain, we hypothesized that other residues within this domain and surrounding subdomains would also contribute to polymerase function. To test this hypothesis, we designed a panel of nsP4 variants via homology modeling based on the Coxsackievirus B3 3 polymerase. We rescued each variant in both mammalian and mosquito cells and discovered that the palm domain and ring finger subdomain contribute to polymerase host-specific replication and genetic stability. Surprisingly, in mosquito cells, these variants in the ring finger and palm domain were replication competent and produced viral structural proteins, but they were unable to produce infectious progeny, indicating a yet uncharacterized role for the polymerase in viral assembly. Finally, we have identified additional residues in the nsP4 palm domain that influence the genetic diversity of the viral progeny, potentially via an alteration in NTP binding and/or discrimination by the polymerase. Taken together, these studies highlight that distinct nsP4 subdomains regulate multiple processes of the alphavirus life cycle, placing nsP4 in a central role during the switch from RNA synthesis to packaging and assembly. Author Summary Chikungunya virus (CHIKV) is a re-emerging alphavirus transmitted to humans by mosquitoes and causing frequent explosive outbreaks. Its replication relies on a polymerase that incorporates a significant number of errors in the new genomes, making it a good candidate to develop vaccines or antiviral strategies. However, little is known on alphavirus polymerase function in alternate hosts. To begin to understand how the CHIKV polymerase nsP4 functions, we designed a panel of nsP4 variants taking advantage of the conservation of polymerase structure across positive strand RNA viruses. We discovered that the palm domain and ring finger of the polymerase were involved in host-specific RNA replication, genetic stability, and virus assembly. In addition, we demonstrated that the palm domain directly impacted the generation of viral genetic diversity. Taken together, these findings add further evidence to the crucial impact of the core palm domain of CHIKV polymerase not only on the replication of the RNA itself, but also on the genetic stability of the protein, as well as its involvement in viral assembly.