The COVID-19 pandemic urgently needs therapeutic and prophylactic interventions. Here, we report the rapid identification of SARS-CoV-2-neutralizing antibodies by high-throughput single-cell RNA and VDJ sequencing of antigen-enriched B cells from 60 convalescent patients. From 8,558 antigen-binding IgG1+ clonotypes, 14 potent neutralizing antibodies were identified, with the most potent one, BD-368-2, exhibiting an IC50 of 1.2 and 15 ng/mL against pseudotyped and authentic SARS-CoV-2, respectively. BD-368-2 also displayed strong therapeutic and prophylactic efficacy in SARS-CoV-2-infected hACE2-transgenic mice. Additionally, the 3.8 Å cryo-EM structure of a neutralizing antibody in complex with the spike-ectodomain trimer revealed the antibody's epitope overlaps with the ACE2 binding site. Moreover, we demonstrated that SARS-CoV-2-neutralizing antibodies could be directly selected based on similarities of their predicted CDR3H structures to those of SARS-CoV-neutralizing antibodies. Altogether, we showed that human neutralizing antibodies could be efficiently discovered by high-throughput single B cell sequencing in response to pandemic infectious diseases.

A coronavirus (HCoV-19) has caused the novel coronavirus disease (COVID-19) outbreak in Wuhan, China. Preventing and reversing the cytokine storm may be the key to save the patients with severe COVID-19 pneumonia. Mesenchymal stem cells (MSCs) have been shown to possess a comprehensive powerful immunomodulatory function. This study aims to investigate whether MSC transplantation improves the outcome of 7 enrolled patients with COVID-19 pneumonia in Beijing YouAn Hospital, China, from Jan 23, 2020 to Feb 16, 2020. The clinical outcomes, as well as changes of inflammatory and immune function levels and adverse effects of 7 enrolled patients were assessed for 14 days after MSC injection. MSCs could cure or significantly improve the functional outcomes of seven patients without observed adverse effects. The pulmonary function and symptoms of these seven patients were significantly improved in 2 days after MSC transplantation. Among them, two common and one severe patient were recovered and discharged in 10 days after treatment. After treatment, the peripheral lymphocytes were increased, the C-reactive protein decreased, and the overactivated cytokine-secreting immune cells CXCR3+CD4+ T cells, CXCR3+CD8+ T cells, and CXCR3+ NK cells disappeared in 3-6 days. In addition, a group of CD14+CD11c+CD11b^mid regulatory DC cell population dramatically increased. Meanwhile, the level of TNF-α was significantly decreased, while IL-10 increased in MSC treatment group compared to the placebo control group. Furthermore, the gene expression profile showed MSCs were ACE2^- and TMPRSS2^- which indicated MSCs are free from COVID-19 infection. Thus, the intravenous transplantation of MSCs was safe and effective for treatment in patients with COVID-19 pneumonia, especially for the patients in critically severe condition.

A dysfunctional immune response in coronavirus disease 2019 (COVID-19) patients is a recurrent theme impacting symptoms and mortality, yet a detailed understanding of pertinent immune cells is not complete. We applied single-cell RNA sequencing to 284 samples from 196 COVID-19 patients and controls and created a comprehensive immune landscape with 1.46 million cells. The large dataset enabled us to identify that different peripheral immune subtype changes are associated with distinct clinical features, including age, sex, severity, and disease stages of COVID-19. Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) RNA was found in diverse epithelial and immune cell types, accompanied by dramatic transcriptomic changes within virus-positive cells. Systemic upregulation of S100A8/A9, mainly by megakaryocytes and monocytes in the peripheral blood, may contribute to the cytokine storms frequently observed in severe patients. Our data provide a rich resource for understanding the pathogenesis of and developing effective therapeutic strategies for COVID-19.

Cytokines and free radicals are mediators of β-cell death in type 1 diabetes. Under in vitro conditions, interleukin-1β (IL-1β) + γ-interferon (IFN-γ) induce nitric oxide (NO) production and apoptosis in rodent and human pancreatic β-cells. We have previously shown, by microarray analysis of primary β-cells, that IL-1β + IFN-γ decrease expression of the mRNA encoding for the sarcoendoplasmic reticulum pump Ca2+ ATPase 2b (SERCA2b) while inducing expression of the endoplasmic reticulum stress–related and proapoptotic gene CHOP (C/EBP [CCAAT/enhancer binding protein] homologous protein). In the present study we show that cytokine-induced apoptosis and necrosis in primary rat β-cells and INS-1E cells largely depends on NO production. IL-1β + IFN-γ, via NO synthesis, markedly decreased SERCA2b protein expression and depleted ER Ca2+ stores. Of note, β-cells showed marked sensitivity to apoptosis induced by SERCA blockers, as compared with fibroblasts. Cytokine-induced ER Ca2+ depletion was paralleled by an NO-dependent induction of CHOP protein and activation of diverse components of the ER stress response, including activation of inositol-requiring ER-to-nucleus signal kinase 1α (IRE1α) and PRK (RNA-dependent protein kinase)-like ER kinase (PERK)/activating transcription factor 4 (ATF4), but not ATF6. In contrast, the ER stress–inducing agent thapsigargin triggered these four pathways in parallel. In conclusion, our results suggest that the IL-1β + IFN-γ–induced decrease in SERCA2b expression, with subsequent depletion of ER Ca2+ and activation of the ER stress pathway, is a potential contributory mechanism to β-cell death.

To discover new drugs to combat COVID-19, an understanding of the molecular basis of SARS-CoV-2 infection is urgently needed. Here, for the first time, we report the crucial role of cathepsin L (CTSL) in patients with COVID-19. The circulating level of CTSL was elevated after SARS-CoV-2 infection and was positively correlated with disease course and severity. Correspondingly, SARS-CoV-2 pseudovirus infection increased CTSL expression in human cells in vitro and human ACE2 transgenic mice in vivo, while CTSL overexpression, in turn, enhanced pseudovirus infection in human cells. CTSL functionally cleaved the SARS-CoV-2 spike protein and enhanced virus entry, as evidenced by CTSL overexpression and knockdown in vitro and application of CTSL inhibitor drugs in vivo. Furthermore, amantadine, a licensed anti-influenza drug, significantly inhibited CTSL activity after SARS-CoV-2 pseudovirus infection and prevented infection both in vitro and in vivo. Therefore, CTSL is a promising target for new anti-COVID-19 drug development.

BACKGROUND. Identifying immune correlates of COVID-19 disease severity is an urgent need for clinical management, vaccine evaluation, and drug development. Here, we present a temporal analysis of key immune mediators, cytokines, and chemokines in blood of hospitalized COVID-19 patients from serial sampling and follow-up over 4 weeks.

Abstract New SARS-CoV-2 variants continue to emerge from the current global pandemic, some of which can replicate faster and with greater transmissibility and pathogenicity. In particular, UK501Y.V1 identified in UK, SA501Y.V2 in South Africa, and BR501Y.V3 in Brazil are raising serious concerns as they spread quickly and contain spike protein mutations that may facilitate escape from current antibody therapies and vaccine protection. Here, we constructed a panel of 28 SARS-CoV-2 pseudoviruses bearing single or combined mutations found in the spike protein of these three variants, as well as additional nine mutations that within or close by the major antigenic sites in the spike protein identified in the GISAID database. These pseudoviruses were tested against a panel of monoclonal antibodies (mAbs), including some approved for emergency use to treat SARS-CoV-2 infection, and convalescent patient plasma collected early in the pandemic. SA501Y.V2 pseudovirus was the most resistant, in magnitude and breadth, against mAbs and convalescent plasma, followed by BR501Y.V3, and then UK501Y.V1. This resistance hierarchy corresponds with Y144del and 242-244del mutations in the N-terminal domain as well as K417N/T, E484K and N501Y mutations in the receptor binding domain (RBD). Crystal structural analysis of RBD carrying triple K417N-E484K-N501Y mutations found in SA501Y.V2 bound with mAb P2C-1F11 revealed a molecular basis for antibody neutralization and escape. SA501Y.V2 and BR501Y.V3 also acquired substantial ability to use mouse and mink ACE2 for entry. Taken together, our results clearly demonstrate major antigenic shifts and potentially broadening the host range of SA501Y.V2 and BR501Y.V3, which pose serious challenges to our current antibody therapies and vaccine protection.

SUMMARY Dysfunctional immune response in the COVID-19 patients is a recurrent theme impacting symptoms and mortality, yet the detailed understanding of pertinent immune cells is not complete. We applied single-cell RNA sequencing to 284 samples from 205 COVID-19 patients and controls to create a comprehensive immune landscape. Lymphopenia and active T and B cell responses were found to coexist and associated with age, sex and their interactions with COVID-19. Diverse epithelial and immune cell types were observed to be virus-positive and showed dramatic transcriptomic changes. Elevation of ANXA1 and S100A9 in virus-positive squamous epithelial cells may enable the initiation of neutrophil and macrophage responses via the ANXA1-FPR1 and S100A8/9-TLR4 axes. Systemic upregulation of S100A8/A9, mainly by megakaryocytes and monocytes in the peripheral blood, may contribute to the cytokine storms frequently observed in severe patients. Our data provide a rich resource for understanding the pathogenesis and designing effective therapeutic strategies for COVID-19. HIGHLIGHTS Large-scale scRNA-seq analysis depicts the immune landscape of COVID-19 Lymphopenia and active T and B cell responses coexist and are shaped by age and sex SARS-CoV-2 infects diverse epithelial and immune cells, inducing distinct responses Cytokine storms with systemic S100A8/A9 are associated with COVID-19 severity