SARS-CoV-2 is an enveloped virus responsible for the COVID-19 pandemic. Despite recent advances in the structural elucidation of SARS-CoV-2 proteins, the detailed architecture of the intact virus remains to be unveiled. Here we report the molecular assembly of the authentic SARS-CoV-2 virus using cryoelectron tomography (cryo-ET) and subtomogram averaging (STA). Native structures of the S proteins in pre- and postfusion conformations were determined to average resolutions of 8.7–11 Å. Compositions of the N-linked glycans from the native spikes were analyzed by mass spectrometry, which revealed overall processing states of the native glycans highly similar to that of the recombinant glycoprotein glycans. The native conformation of the ribonucleoproteins (RNPs) and their higher-order assemblies were revealed. Overall, these characterizations revealed the architecture of the SARS-CoV-2 virus in exceptional detail and shed light on how the virus packs its ∼30-kb-long single-segmented RNA in the ∼80-nm-diameter lumen.

Hepatitis C virus (HCV) is a positive strand RNA virus that propagates primarily in the liver. We show here that the liver-specific microRNA-122 (miR-122), a member of a class of small cellular RNAs that mediate post-transcriptional gene regulation usually by repressing the translation of mRNAs through interaction with their 3'-untranslated regions (UTRs), stimulates the translation of HCV. Sequestration of miR-122 in liver cell lines strongly reduces HCV translation, whereas addition of miR-122 stimulates HCV translation in liver cell lines as well as in the non-liver HeLa cells and in rabbit reticulocyte lysate. The stimulation is conferred by direct interaction of miR-122 with two target sites in the 5'-UTR of the HCV genome. With a replication-defective NS5B polymerase mutant genome, we show that the translation stimulation is independent of viral RNA synthesis. miR-122 stimulates HCV translation by enhancing the association of ribosomes with the viral RNA at an early initiation stage. In conclusion, the liver-specific miR-122 may contribute to HCV liver tropism at the level of translation.

Upon vascular injury, locally controlled haemostasis prevents life-threatening blood loss and ensures wound healing. Intracellular material derived from damaged cells at these sites will become exposed to blood components and could contribute to blood coagulation and pathological thrombus formation. So far, the functional and mechanistic consequences of this concept are not understood. Here, we present in vivo and in vitro evidence that different forms of eukaryotic and prokaryotic RNA serve as promoters of blood coagulation. Extracellular RNA was found to augment (auto-)activation of proteases of the contact phase pathway of blood coagulation such as factors XII and XI, both exhibiting strong RNA binding. Moreover, administration of exogenous RNA provoked a significant procoagulant response in rabbits. In mice that underwent an arterial thrombosis model, extracellular RNA was found associated with fibrin-rich thrombi, and pretreatment with RNase (but not DNase) significantly delayed occlusive thrombus formation. Thus, extracellular RNA derived from damaged or necrotic cells particularly under pathological conditions or severe tissue damage represents the long sought natural “foreign surface” and provides a procoagulant cofactor template for the factors XII/XI-induced contact activation/amplification of blood coagulation. Extracellular RNA thereby reveals a yet unrecognized target for antithrombotic intervention, using RNase or related therapeutic strategies.

SUMMARY Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is an enveloped virus responsible for the COVID-19 pandemic. Despite recent advances in the structural elucidation of SARS-CoV-2 proteins and the complexes of the spike (S) proteins with the cellular receptor ACE2 or neutralizing antibodies, detailed architecture of the intact virus remains to be unveiled. Here we report the molecular assembly of the authentic SARS-CoV-2 virus using cryo-electron tomography (cryo-ET) and subtomogram averaging (STA). Native structures of the S proteins in both pre- and postfusion conformations were determined to average resolutions of 8.7-11 Å. Compositions of the N-linked glycans from the native spikes were analyzed by mass-spectrometry, which revealed highly similar overall processing states of the native glycans to that of the recombinant glycoprotein glycans. The native conformation of the ribonucleoproteins (RNP) and its higher-order assemblies were revealed. Overall, these characterizations have revealed the architecture of the SARS-CoV-2 virus in unprecedented detail, and shed lights on how the virus packs its ∼30 kb long single-segmented RNA in the ∼80 nm diameter lumen.

Abstract A central tenet in the design of vaccines is the display of native-like antigens in the elicitation of protective immunity. The abundance of N-linked glycans across the SARS-CoV-2 spike protein is a potential source of heterogeneity between the many different vaccine candidates under investigation. Here, we investigate the glycosylation of recombinant SARS-CoV-2 spike proteins from five different laboratories and compare them against infectious virus S protein. We find patterns which are conserved across all samples and this can be associated with site-specific stalling of glycan maturation which act as a highly sensitive reporter of protein structure. Molecular dynamics (MD) simulations of a fully glycosylated spike support s a model of steric restrictions that shape enzymatic processing of the glycans. These results suggest that recombinant spike-based SARS-CoV-2 immunogen glycosylation reproducibly recapitulates signatures of viral glycosylation.

Abstract Among the current five Variants of Concern, infections caused by the SARS-CoV-2 B.1.617.2 (Delta) variant are often associated with the greatest severity. Despite recent advances on the molecular basis of elevated pathogenicity using recombinant proteins, architecture of intact Delta virions remains veiled. Moreover, molecular evidences for the detailed mechanism of S-mediated membrane fusion are missing. Here we reported the in situ structure and distribution of S on the authentic Delta variant, and discovered invagination in the distinctive Delta architecture. We also captured fusion snapshots from the virus-virus fusion events, provided structural evidences for Delta’s attenuated dependency on cellular factors for fusion activation, and proposed a model of S-mediated membrane fusion. Site-specific glycan analysis revealed increased oligomannose-type glycosylation of native Delta S over that of the Wuhan-Hu-1 S. Together, these results disclose distinctive factors of Delta being the most virulent SARS-CoV-2 variant. In Brief Cryo-ET of intact SARS-CoV-2 Delta variant revealed its distinctive architecture and captured snapshots of its membrane fusion in action.

Abstract Members of Flavivirus , a genus of Flaviviridae , encompass numerous enveloped plus strand RNA viruses, of which globally dengue virus (DENV) is the leading cause of serious arthropod-borne disease. The genomes of DENV, just as those of yellow fever virus (YFV), West Nile fever virus (WNV), or Zika virus (ZIKV), control their translation by a 5’-terminal capping group. Three other genera of Flaviviridae are remarkable because their viruses use internal ribosomal entry sites (IRESs) to control translation and they are not arthropod transmitted. In 2006 E. Harris’ group published work suggesting that DENV RNA does not stringently need a cap for translation. They proposed that instead DENV translation is controlled by an interplay between 5’ and 3’ termini. Here we present evidence that the DENV or ZIKV 5’-untranslated regions (5’-UTRs) alone have IRES competence. This conclusion is based, first, on the observation that uncapped mono-cistronic mRNAs 5’ terminated with the DENV or ZIKV 5’-UTRs can efficiently direct translation of a reporter gene in BHK and C6/36 cells; second, that either 5’-UTR placed between two reporter genes can efficiently induce expression of the downstream gene in BHK but not in C6/36 cells. These experiments followed observations that uncapped DENV/ZIKV genomic transcripts, 5’ terminated with pppAN… or GpppAN…, can initiate infections of mammalian (BHK) or mosquito (C6/36) cells. IRES competence of the 5’-UTRs of DENV/ZIKV raises many open questions regarding the biology and control, as well as the evolution, of insect-borne flaviviruses. Importance Members of the genus Flavivirus of Flaviviridae are important human pathogens of great concern because they cause serious diseases, sometimes death, in human populations living in tropical, subtropical (dengue, DENV; Zika, ZIKV; yellow fever virus), or moderate climates (West Nile virus). Flaviviruses are known to control their translation by a cap-dependent mechanism. We have observed, however, that the uncapped genomes of DENV or ZIKV can initiate infection of mammalian and insect cells. We provide evidence that the short 5’ untranslated region (5’-UTR) of DENV or ZIKV genomes can fulfill the function of an internal ribosomal entry site (IRES). This strategy frees these organisms from the cap-dependent mechanism of gene expression at an as yet unknown stage of proliferation. The data raise new questions about the biology and evolution of flaviviruses, possibly leading to new controls of flavivirus disease.

Dengue virus (DENV), an arthropod-borne ("arbovirus") virus causing a range of human maladies ranging from self-limiting dengue fever to the life-threatening dengue shock syndrome, proliferates well in two different taxa of the Animal Kingdom, mosquitoes and primates. Unexpectedly, mosquitoes and primates have distinct preferences when expressing their genes by translation, e.g. members of these taxa show taxonomic group-specific intolerance to certain codon pairs. This is called "codon pair bias". By necessity, arboviruses evolved to delicately balance this fundamental difference in their ORFs. Using the mosquito-borne human pathogen DENV we have undone the evolutionarily conserved genomic balance in its ORF sequence and specifically shifted the encoding preference away from primates. However, this recoding of DENV raised concerns of 'gain-of-function,' namely whether recoding could inadvertently increase fitness for replication in the arthropod vector. Using mosquito cell cultures and two strains of Aedes aegypti we did not observe any increase in fitness in DENV2 variants codon pair deoptimized for humans. This ability to disrupt and control an arbovirus's host preference has great promise towards developing the next generation of synthetic vaccines not only for DENV but for other emerging arboviral pathogens such as chikungunya virus and Zika virus.

In response to coronavirus disease 2019 (COVID-19), numerous vaccines have been developed to protect against SARS-CoV-2 infection. Ad5-nCoV (Convidecia) is a vaccine listed for emergency use by the WHO and has been administrated to millions of people globally. It comprises a series of human adenovirus 5 (Ad5) replication-incompetent vectored vaccines that transduce the spike protein (S) gene of various SARS-CoV-2 strains. Despite promising clinical data demonstrating its safety and effectiveness, the underlying molecular mechanism of its high immunogenicity and incidence of adverse reactions remains less understood. Here we combined cryo-ET, fluorescence microscopy and mass spectrometry to characterize the in situ structures, density and site-specific glycan compositions of the Ad5-nCoV_Wu and Ad5-nCoV_O vaccine-induced S antigens, which encode the unmodified SARS-CoV-2 Wuhan-Hu-1 S gene and optimized Omicron S gene, respectively. We found that the vaccine-induced S are structurally intact, antigenic and densely distributed on the cell membrane. Compared to Ad5-nCoV_Wu induced S, the Ad5-nCoV_O induced S demonstrate significantly better stability and is less likely to induce syncytia among inoculated cells. Our work demonstrated that Ad5-nCoV is a prominent platform for antigen induction and cryo-ET can be a useful technique for vaccine characterization and development.