ABSTRACT The SARS-CoV-2 spike protein binds to the human angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor via receptor binding domain (RBD) to enter into the cell and inhibiting this interaction is a main approach to inhibit SARS-CoV-2 infection. We engineered ACE2 to enhance the affinity with directed evolution in 293T cells. Three cycles of random mutation and cell sorting achieved 100-fold higher affinity to RBD than wild-type ACE2. The extracellular domain of modified ACE2 fused to the human IgG1-Fc region had stable structure and neutralized SARS-CoV-2 without the emergence of mutational escape. Therapeutic administration protected hamsters from SARS-CoV-2 infection, decreasing lung virus titers and pathology. Engineering ACE2 decoy receptors with human cell-based directed evolution is a promising approach to develop a SARS-CoV-2 neutralizing drug that has affinity comparable to monoclonal antibodies yet displaying resistance to escape mutations of virus. One Sentence Summary Engineered ACE2 decoy receptor has a therapeutic potential against COVID-19 without viral escape mutation.

Abstract The novel SARS-CoV-2 variant, Omicron (B.1.1.529) contains an unusually high number of mutations (>30) in the spike protein, raising concerns of escape from vaccines, convalescent sera and therapeutic drugs. Here we analyze the alteration of neutralizing titer with Omicron pseudovirus. Sera obtained 3 months after double BNT162b2 vaccination exhibit approximately 18-fold lower neutralization titers against Omicron than parental virus. Convalescent sera from Alpha and Delta patients allow similar levels of breakthrough by Omicron. Domain-wise analysis using chimeric spike revealed that this efficient evasion was primarily achieved by mutations clustered in the receptor-binding domain, but that multiple mutations in the N-terminal domain contributed as well. Omicron escapes a therapeutic cocktail of imdevimab and casirivimab, whereas sotrovimab, which targets a conserved region to avoid viral mutation, remains effective. The ACE2 decoy is another virus-neutralizing drug modality that is free, at least in theory, from complete escape. Deep mutational analysis demonstrated that, indeed, engineered ACE2 prevented escape for each single-residue mutation in the receptor-binding domain, similar to immunized sera. Engineered ACE2 neutralized Omicron comparable to Wuhan and also showed a therapeutic effect against Omicron infection in hamsters and human ACE2 transgenic mice. Like previous SARS-CoV-2 variants, some sarbecoviruses showed high sensitivity against engineered ACE2, confirming the therapeutic value against diverse variants, including those that are yet to emerge. One Sentence Summary Omicron, carrying ∼30 mutations in the spike, exhibits effective immune evasion but remains highly susceptible to blockade by engineered ACE2.

Summary In order to investigate SARS-CoV-2 mutations and their impact on immune evasion and infectivity, we developed a Deep Mutational Scanning (DMS) platform utilizing an inverted infection assay to measure spike expression, ACE2 affinity, and viral infectivity in human cells. Surprisingly, our analysis reveals that spike protein expression, rather than ACE2 affinity, is the primary factor affecting viral infectivity and correlated with SARS-CoV-2 evolution. Notably, within the N-terminal domain (NTD), spike expression and infectivity-enhancing mutations are concentrated in flexible loops. We also observed that Omicron variants BA.1 and BA.2 exhibit immune evasion through receptor binding domain (RBD) mutations, although these mutations reduce structural stability. Interestingly, the NTD has evolved to increase stability, compensating for the RBD instability and resulting in heightened overall infectivity. Our findings, available in SpikeScanDB, emphasize the importance of spike expression levels and compensatory mutations in both the NTD and RBD domains for shaping Omicron variant infectivity.

Background: Tissue fibrosis is a common feature of many organ dysfunctions, such as heart failure and chronic kidney disease. However, no fundamental treatment has been developed. This study aims to identify novel molecular mechanisms for antifibrotic intervention, focusing on fibroblast activation. Methods: We performed a forward genetic screen using a genome-wide CRISPR library in the context of transforming growth factor ? (TGF-?)-mediated connective tissue growth factor (CTGF) expression, and used unbiased techniques such as Cleavage Under Targets and Tagmentation (CUT&Tag) and proximity-dependent biotin labeling by TurboID to reveal the detailed molecular mechanisms. Results: CRISPR library screening identified a number of players in both the canonical Smad pathway and the non-canonical pathway. In addition to the known factors, the Keap1-Nrf2 pathway was identified as a predominant regulator of TGF-?-mediated CTGF expression. Keap1 deletion and consequent Nrf2 activation broadly suppressed profibrotic gene expression, independently of conventional antioxidant effects. CUT&Tag revealed that Nrf2 bound to the proximity of fibrosis-related genes including Ctgf and Fn1. Subsequent individual analysis revealed Smad3 and RNA polymerase II binding to the Nrf2 peak site, which was attenuated by Keap1 deletion. TurboID experiments further discovered that Nrf2 interacts with Ddx54, which acts as a corepressor. Consistently, Keap1 deletion-mediated repression of profibrotic gene expression was reversed by additional Ddx54 deletion. The impact of the Keap1-Nrf2 pathway on pathological fibrosis was examined using tamoxifen-inducible fibroblast-specific Keap1 knockout mice. Pressure overload for 4 weeks robustly induced cardiac hypertrophy, fibrosis and contractile dysfunction. However, deletion of Keap1 in the Postn lineage attenuated these cardiac pathologies. The anti-fibrotic effects of Keap1 deletion were also confirmed in renal fibrosis in the unilateral ureteral obstruction (UUO) model. Conclusions: Fibroblast Nrf2 transcriptionally represses fibrosis-related genes in cooperation with the corepressor Ddx54. Fibroblast-specific deletion of Keap1 attenuated pathological fibrosis in pressure overload heart failure and renal fibrosis.