Receptor binding studies using recombinant SARS-CoV proteins have been hampered due to challenges in approaches creating spike protein or domains thereof, that recapitulate receptor binding properties of native viruses. We hypothesized that trimeric RBD proteins would be suitable candidates to study receptor binding properties of SARS-CoV-1 and -2. Here we created monomeric and trimeric fluorescent RBD proteins, derived from adherent HEK293T, as well as in GnTI mutant cells, to analyze the effect of complex vs high mannose glycosylation on receptor binding. The results demonstrate that trimeric fully glycosylated proteins are superior in receptor binding compared to monomeric and immaturely glycosylated variants. Although differences in binding to commonly used cell lines were minimal between the different RBD preparations, substantial differences were observed when respiratory tissues of experimental animals were stained. The RBD trimers demonstrated distinct ACE2 expression profiles in bronchiolar ducts and confirmed the higher binding affinity of SARS-CoV-2 over SARS-CoV-1. Our results show that fully glycosylated trimeric RBD proteins are attractive to analyze receptor binding and explore ACE2 expression profiles in tissues.

Abstract SARS-CoV-2 attaches to angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) to gain entry into cells after which the spike protein is cleaved by the transmembrane serine protease 2 (TMPRRS2) to facilitate viral-host membrane fusion. ACE2 and TMPRRS2 expression profiles have been analyzed at the genomic, transcriptomic, and single-cell RNAseq level, however, biologically relevant protein receptor organization in whole tissues is still poorly understood. To describe the organ-level architecture of receptor expression, related to the ability of ACE2 and TMPRRS2 to mediate infectivity, we performed a volumetric analysis of whole Syrian hamster lung lobes. Lung tissue of infected and control animals were stained using antibodies against ACE2 and TMPRRS2, combined with fluorescent spike protein and SARS-CoV-2 nucleoprotein staining. This was followed by light-sheet microscopy imaging to visualize expression patterns. The data demonstrates that infection is restricted to sites with both ACE2 and TMPRRS2, the latter is expressed in the primary and secondary bronchi whereas ACE2 is predominantly observed in the terminal bronchioles and alveoli. Conversely, infection completely overlaps at these sites where ACE2 and TMPRSS2 co-localize.

SARS-CoV-2 viruses engage ACE2 as a functional receptor with their spike protein. The S1 domain of the spike protein contains a C-terminal receptor-binding domain (RBD) and an N-terminal domain (NTD). The NTD of other coronaviruses includes a glycan-binding cleft. However, for the SARS-CoV-2 NTD protein-glycan binding was only observed weakly for sialic acids with highly sensitive methods. Amino acid changes in the NTD of Variants of Concern (VoC) shows antigenic pressure, which can be an indication of NTD-mediated receptor binding. Trimeric NTD proteins of SARS-CoV-2, Alpha, Beta, Delta, and Omicron did not reveal a receptor binding capability. Unexpectedly, the SARS-CoV-2 Beta subvariant strain (501Y.V2-1) NTD binding to Vero E6 cells was sensitive to sialidase pretreatment. Glycan microarray analyses identified a putative 9- O -acetylated sialic acid as a ligand, which was confirmed by catch-and-release ESI-MS, STD-NMR analyses, and a graphene-based electrochemical sensor. The Beta (501Y.V2-1) variant attained an enhanced glycan binding modality in the NTD with specificity towards 9- O -acetylated structures, suggesting a dual-receptor functionality of the SARS-CoV-2 S1 domain, which was quickly selected against. These results indicate that SARS-CoV-2 can probe additional evolutionary space, allowing binding to glycan receptors on the surface of target cells.Coronaviruses utilize their N-terminal domain (NTD) for initial reversible low-affinity interaction to (sialylated) glycans. This initial low-affinity/high-avidity engagement enables viral surfing on the target membrane, potentially followed by a stronger secondary receptor interaction. Several coronaviruses, such as HKU1 and OC43, possess a hemagglutinin-esterase for viral release after sialic acid interaction, thus allowing viral dissemination. Other coronaviruses, such as MERS-CoV, do not possess a hemagglutinin-esterase, but interact reversibly to sialic acids allowing for viral surfing and dissemination. The early 501Y.V2-1 subvariant of the Beta SARS-CoV-2 Variant of Concern has attained a receptor-binding functionality towards 9- O -acetylated sialic acid using its NTD. This binding functionality was selected against rapidly, most likely due to poor dissemination. Ablation of sialic acid binding in more recent SARS-CoV-2 Variants of Concern suggests a fine balance of sialic acid interaction of SARS-CoV-2 is required for infection and/or transmission.

Ducks usually show little or no clinical signs following highly pathogenic avian influenza virus infection. In order to analyze if the gut microbiota could contribute to the control of influenza virus replication in ducks, we used a broad-spectrum oral antibiotic treatment to deplete the gut microbiota before infection with a highly pathogenic H5N9 avian influenza virus. Antibiotic-treated ducks and non-treated control ducks did not show any clinical signs following H5N9 virus infection. We did not detect any difference in virus titers neither in the respiratory tract, nor in the brain and spleen. However, we found that antibiotic-treated H5N9 virus infected ducks had significantly increased intestinal virus excretion at day 3 and 5 post-infection. This was associated with a significantly decreased antiviral immune response in the intestine of antibiotic-treated ducks. Our findings highlight the importance of an intact microbiota for an efficient control of avian influenza virus replication in ducks.

Abstract Prototypic receptors for human influenza viruses are cell surface N -glycans carrying α2,6-linked sialosides. Under immune pressure, A/H3N2 influenza viruses have emerged with altered receptor specificities that appear to recognize α2,6-linked sialosides presented on extended N -acetyl-lactosamine (LacNAc) moieties. Here, molecular recognition features of such drifted hemagglutinin’s (HAs) are examined by chemoenzymatic synthesis of complex N -glycans having 13 C-labeled monosaccharides at strategic positions. The labeled glycans were employed in 2D STD- 1 H and 13 C-HSQC NMR experiments to pinpoint which monosaccharides of the extended LacNAc chain engage with evolutionarily distinct HAs. The NMR data in combination with computational and mutagenesis studies demonstrate that mutations distal to the receptor binding domain of recent HAs have created an extended binding site that can directly interact with the extended LacNAc chain. A fluorine containing sialyl-LacNAc derivative is used as NMR probe to derive relative binding affinities and confirmed the contribution of the extended LacNAc chain for binding.

Background Recurrent respiratory tract infections (rRTIs) are a common reason for immunodiagnostic testing in children, which relies on serum antibody level measurements. However, because RTIs predominantly affect the respiratory mucosa, serum antibodies may inaccurately reflect local immune defences. We investigated antibody responses in saliva and their interplay with the respiratory microbiota in relation to RTI severity and burden in young children with rRTIs. Methods We conducted a prospective cohort study including 100 children aged <10 years with rRTIs, their family members, and healthy healthcare professionals. Total and polyreactive antibody concentrations were determined in serum and saliva (ELISA); respiratory microbiota composition (16S-rRNA-sequencing) and respiratory viruses (qPCR) were characterised in nasopharyngeal swabs. Proteomic analysis (Olink®) was performed on saliva and serum samples. RTI symptoms were monitored with a daily cell phone application and assessed using latent class analysis and negative binomial mixed models. Results Serum antibody levels were not associated with RTI severity. Strikingly, 28% of salivary antibodies and only 2% of serum antibodies displayed polyreactivity (p<0.001). Salivary polyreactive immunoglobulin A (IgA) was negatively associated with recurrent lower RTIs (aOR 0.80 [95% CI 0.67–0.94]) and detection of multiple respiratory viruses (aOR 0.76 [95% CI 0.61–0.96]). Haemophilus influenzae abundance was positively associated with RTI symptom burden (regression coefficient 0.07 [95% CI 0.02–0.12]). Conclusion These results highlight the importance of mucosal immunity in RTI severity and burden and suggest that the level of salivary polyreactive IgA and H. influenzae abundance may serve as indicators of infection risk and severity in young children with rRTIs.

Coronaviruses recognize a wide array of protein and glycan receptors using the S1 subunit of the spike (S) glycoprotein. The S1 subunit contains two functional domains: the N-terminal (S1-NTD) and C-terminal (S1-CTD). The S1-NTD of SARS-CoV-2, MERS-CoV, and HCoV-HKU1 possess an evolutionarily conserved glycan binding cleft that facilitates weak interactions with sialic acids on cell surfaces. HCoV-HKU1 employs 9-

Abstract Influenza A viruses initiate infection by binding to glycans with terminal sialic acids present on the cell surface. Hosts of influenza A viruses variably express two major forms of sialic acid, N-acetylneuraminic acid (NeuAc) and N-glycolylneuraminic acid (NeuGc). NeuGc is produced in the majority of mammals including horses, pigs, and mice, but is absent in humans, ferrets, and birds. Intriguingly, the only known naturally occurring influenza A viruses that exclusively bind NeuGc are the extinct highly pathogenic equine H7N7 viruses. We determined the crystal structure of a representative equine H7 hemagglutinin (HA) in complex with its NeuGc ligand and observed a high similarity in the receptor-binding domain with an avian H7 HA. To determine the molecular basis for NeuAc and NeuGc specificity, we performed systematic mutational analyses, based on the structural insights, on two distant avian H7 HAs. We found that mutation A135E is key for binding α2,3-linked NeuGc but does not abolish NeuAc binding. Interestingly, additional mutations S128T, I130V, or a combination of T189A and K193R, converted from NeuAc to NeuGc specificity as determined by glycan microarrays. However, specific binding to NeuGc-terminal glycans on our glycan array did not always correspond with full NeuGc specificity on chicken and equine erythrocytes and tracheal epithelium sections. Phylogenetic analysis of avian and equine H7 HAs that investigated the amino acids at positions 128, 130, 135, 189, and 193 reveals a clear distinction between equine and avian residues. The highest variability in amino acids (four different residues) is observed at key position 135, of which only the equine glutamic acid leads to binding of NeuGc. The results demonstrate that avian H7 viruses, although genetically distinct from equine H7 viruses, can bind NeuGc after the introduction of two to three mutations, providing insights into the adaptation of H7 viruses to NeuGc receptors. Author summary Influenza A viruses cause millions of cases of severe illness and deaths annually. To initiate infection and replicate, the virus first needs to bind to a structure on the cell surface, like a key fitting in a lock. For influenza A virus, these ‘keys’ (receptors) on the cell surface are chains of sugar molecules (glycans). The terminal sugar on these glycans is often either N-acetylneuraminic acid (NeuAc) or N-glycolylneuraminic acid (NeuGc). Most influenza A viruses bind NeuAc, but a small minority binds NeuGc. NeuGc is present in species like horses, pigs, and mice, but not in humans, ferrets, and birds. Therefore, NeuGc binding could be a determinant of an Influenza A virus species barrier. Here, we investigated the molecular determinants of NeuGc specificity and the origin of viruses that bind NeuGc.