Summary Heparan sulfate (HS) is a cell surface polysaccharide recently identified as a co-receptor with the ACE2 protein for recognition of the S1 spike protein on SARS-CoV-2 virus, providing a tractable new target for therapeutic intervention. Clinically-used heparins demonstrate inhibitory activity, but world supplies are limited, necessitating alternative solutions. Synthetic HS mimetic pixatimod is a drug candidate for cancer with immunomodulatory and heparanase-inhibiting properties. Here we show that pixatimod binds to and destabilizes the SARS-CoV-2 spike protein receptor binding domain (S1-RBD), and directly inhibits its binding to human ACE2, consistent with molecular modelling identification of multiple molecular contacts and overlapping pixatimod and ACE2 binding sites. Assays with multiple clinical isolates of live SARS-CoV-2 virus show that pixatimod potently inhibits infection of monkey Vero E6 and human bronchial epithelial cells at concentrations within its safe therapeutic dose range. Furthermore, in a K18-hACE2 mouse model pixatimod demonstrates that pixatimod markedly attenuates SARS-CoV-2 viral titer and COVID-19-like symptoms. This demonstration of potent anti-SARS-CoV-2 activity establishes proof-of-concept for targeting the HS-Spike protein-ACE2 axis with synthetic HS mimetics. Together with other known activities of pixatimod our data provides a strong rationale for its clinical investigation as a potential multimodal therapeutic to address the COVID-19 pandemic.

ABSTRACT BACKGROUND How well mouse models recapitulate the transcriptional profiles seen in humans remains debatable, with both conservation and diversity identified in various settings. The K18-hACE2 mouse model has been widely used for evaluation of new interventions for COVID-19. METHOD Herein we use RNA-Seq data and bioinformatics approaches to compare the transcriptional responses in the SARS-CoV-2 infected lungs of K18-hACE2 mice with those seen in humans. RESULTS Overlap in differentially expressed genes was generally poor (≈20-30%), even when multiple studies were combined. The overlap was not substantially improved when a second mouse model was examined wherein hACE was expressed from the mouse ACE2 promoter. In contrast, analyses of immune signatures and inflammatory pathways illustrated highly significant concordances between the species. CONCLUSION As immunity and immunopathology are the focus of most studies, these hACE2 transgenic mouse models can thus be viewed as representative and relevant models of COVID-19.

ABSTRACT SARS-CoV-2 uses the human ACE2 (hACE2) receptor for cell attachment and entry, with mouse ACE2 (mACE2) unable to support infection. Herein we describe an ACE2-lentivirus system and illustrate its utility for in vitro and in vivo SARS-CoV-2 infection models. Transduction of non-permissive cell lines with hACE2 imparted replication competence, and transduction with mACE2 containing N30D, N31K, F83Y and H353K substitutions, to match hACE2, rescued SARS-CoV-2 replication. Intranasal hACE2-lentivirus transduction of C57BL/6J mice permitted significant virus replication in lungs. RNA-Seq analyses illustrated that the model involves an acute inflammatory disease followed by resolution and tissue repair, with a transcriptomic profile similar to that seen in COVID-19 patients. Intranasal hACE2-lentivirus transduction of IFNAR -/- and IL-28RA -/- mice lungs was used to illustrate that loss of type I or III interferon responses have no significant effect on virus replication. However, their importance in driving inflammatory responses was illustrated by RNA-Seq analyses. We also demonstrate the utility of the hACE2-lentivirus transduction system for vaccine evaluation in C57BL/6J mice. The ACE2-lentivirus system thus has broad application in SARS-CoV-2 research, providing a tool for both mutagenesis studies and mouse model development. AUTHOR SUMMARY SARS-CoV-2 uses the human ACE2 (hACE2) receptor to infect cells, but cannot infect mice because the virus cannot bind mouse ACE2 (mACE2). We use an ACE2-lentivirus system in vitro to identify four key amino acids in mACE2 that explain why SARS-CoV-2 cannot infect mice. hACE2-lentivirus was used to express hACE2 in mouse lungs in vivo , with the inflammatory responses after SARS-CoV-2 infection similar to those seen in human COVID-19. Genetically modified mice were used to show that type I and III interferon signaling is required for the inflammatory responses. We also show that the hACE2-lentivirus mouse model can be used to test vaccines. Overall this paper demonstrates that our hACE2-lentivirus system has multiple applications in SARS-CoV-2 and COVID-19 research.

Abstract Zika virus (ZIKV) is a re-emerging pathogenic flavivirus, which causes microcephaly in infants and poses a continuing threat to public health. ZIKV, like all other flaviviruses, produces highly abundant noncoding RNA known as subgenomic flaviviral RNA (sfRNA). Herein we utilized wild-type and mutant ZIKV defective in production of sfRNA to elucidate for the first time how production of sfRNA affects all aspects of ZIKV pathogenesis. We found that in mouse pregnancy model of infection sfRNA is required for trans-placental dissemination of ZIKV and subsequent infection of fetal brain. Using human brain organoids, we showed that sfRNA promotes apoptosis of neural progenitor cells leading to profound cytopathicity and disintegration of organoids. We also found by transcriptome profiling and gene network analysis that in infected human placental cells sfRNA inhibits multiple antiviral pathways and promotes apoptosis with STAT1 identified as a key shared factor linking these two interconnected sfRNA activities. We further showed for the first time that sfRNA inhibits phosphorylation and nuclear translocation of STAT1 by a novel mechanism which involves binding to and stabilizing viral protein NS5. This allows accumulation of NS5 at the levels required for efficient inhibition of STAT1 phosphorylation. Thus, we elucidated the molecular mechanism by which ZIKV sfRNA exerts its functions in vertebrate hosts and discovered a co-operation between viral noncoding RNA and a viral protein as a novel strategy employed by viruses to counteract antiviral responses.

SUMMARY Human ACE2 (hACE2) is the key cell attachment and entry receptor for SARS-CoV-2, with the original SARS-CoV-2 isolates unable to use mouse ACE2 (mACE2). Herein we describe a new system for generating mouse-adapted SARS-CoV-2 in vitro by serial passaging virus in co-cultures of cell lines expressing hACE2 and mACE2. Mouse-adapted viruses emerged with up to five amino acid changes in the spike protein, all of which have been seen in human isolates. Mouse-adapted viruses replicated to high titers in C57BL/6J mouse lungs and nasal turbinates, and caused severe lung histopathology. One mouse-adapted virus was also able to replicate efficiently in ACE2-negative cell lines, with ACE2-independent entry by SARS-CoV-2 representing a new biology for SARS-CoV-2 that has potential widespread implications for disease and intervention development.

Abstract Most vertebrate RNA viruses show pervasive suppression of CpG and UpA dinucleotides, closely resembling the dinucleotide composition of host cell transcriptomes. In contrast, CpG suppression is absent in both invertebrate mRNA and RNA viruses that exclusively infect arthropods. Arthropod-borne (arbo) viruses are transmitted between vertebrate hosts by invertebrate vectors and thus encounter potentially conflicting evolutionary pressures in the different cytoplasmic environments. Using a newly developed Zika virus (ZIKV) model, we have investigated how demands for CpG suppression in vertebrate cells can be reconciled with potentially quite different compositional requirements in invertebrates, and how this affects ZIKV replication and transmission. Mutant viruses with synonymously elevated CpG or UpA dinucleotide frequencies showed attenuated replication in vertebrate cell lines, which was rescued by knockout of the zinc-finger antiviral protein (ZAP). Conversely, in mosquito cells, ZIKV mutants with elevated CpG dinucleotide frequencies showed substantially enhanced replication compared to wildtype. Host-driven effects on virus replication attenuation and enhancement were even more apparent in mouse and mosquito models. Infections with CpG-or UpA-high ZIKV mutants in mice did not cause typical ZIKV-induced tissue damage and completely protected mice during subsequent challenge with wildtype virus, which demonstrates their potential as live-attenuated vaccines. In contrast, the CpG-high mutants displayed enhanced replication in Aedes aegypti mosquitoes and a larger proportion of mosquitoes carried infectious virus in their saliva. These findings show that mosquito cells are also capable of discriminating RNA based on dinucleotide composition. However, the evolutionary pressure on the CpG dinucleotides of viral genomes in arthropod vectors directly opposes the pressure present in vertebrate host cells, which provides evidence that an adaptive compromise is required for arbovirus transmission. This suggests that the genome composition of arthropod-borne flaviviruses is crucial to maintain the balance between high-level replication in the vertebrate host and persistent replication in the mosquito vector.

ABSTRACT Global microplastic (MP) contamination and the effects on the environment are well described. However, the potential for MP consumption to affect human health remains controversial. Mice consuming ≈80 µg/kg/day of 1 µm polystyrene MPs via their drinking water for a month showed no weight loss, nor were MPs detected in organs. The microbiome was also unchanged. MP consumption did lead to small transcriptional changes in the colon suggesting plasma membrane perturbations and mild inflammation. Mice were challenged with the arthritogenic chikungunya virus, with MP consumption leading to a significantly prolonged arthritic foot swelling that was associated with elevated Th1, NK cell and neutrophil signatures. Immunohistochemistry also showed a significant increase in the ratio of neutrophils to monocyte/macrophages. The picture that emerges is reminiscent of enteropathic arthritis, whereby perturbations in the colon are thought to activate innate lymphoid cells that can inter alia migrate to joint tissues to promote inflammation.

ABSTRACT Arthropod-borne viruses (arboviruses) such as dengue, Zika and chikungunya constitute a significant proportion of the global disease burden. The principal vector of these pathogens is the mosquito Aedes ( Ae .) aegypti , and its ability to transmit virus to a human host is influenced by environmental factors such as temperature. However, exactly how ambient temperature influences virus replication within mosquitoes remains poorly elucidated, particularly at the molecular level. Here, we use chikungunya virus (CHIKV) as a model to understand how the host mosquito transcriptome responds to arbovirus infection under different ambient temperatures. We exposed CHIKV-infected mosquitoes to 18 °C, 28 °C and 32 °C, and found higher temperature correlated with higher virus replication levels, particularly at early time points post-infection. Lower ambient temperatures resulted in reduced virus replication levels. Using RNAseq, we found that temperature significantly altered gene expression levels in mosquitoes, particularly components of the immune response. The highest number of significantly differentially expressed genes in response to CHIKV was observed at 28 °C, with a markedly more muted effect observed at either lower (18 °C) or higher (32 °C) temperatures. At the higher temperature, the expression of many classical immune genes, including Dicer-2 in the RNAi pathway, was not substantially altered in response to CHIKV. Upregulation of Toll, IMD and JAK-STAT pathways was only observed at 28 °C. Time post infection also led to substantially different gene expression profiles, and this effect varied depending upon the which temperature mosquitoes were exposed to. Taken together, our data indicate temperature significantly modulates mosquito gene expression in response to infection, potentially leading to impairment of immune defences at higher ambient temperatures.

Abstract Poxvirus systems have been extensively used as vaccine vectors. Herein a systems vaccinology analysis of intramuscular injection sites provides detailed insights into host innate immune responses, as well as expression of vector and recombinant immunogen genes, after vaccination with a new multiplication defective, vaccinia-based vector, Sementis Copenhagen Vector. Chikungunya and Zika virus immunogen mRNA and protein expression was associated with necrosing skeletal muscle cells surrounded by mixed cellular infiltrates. Adjuvant signatures at 12 hours post-vaccination were dominated by TLR3, 4 and 9, STING, MAVS, PKR and the inflammasome. Th1 cytokine signatures were dominated by IFNγ, TNF and IL1β, and chemokine signatures by CCL5 and CXCL12. Multiple signatures associated with dendritic cell stimulation were evident. By day seven, vaccine transcripts were absent, and cell death, neutrophil, macrophage and inflammation annotations had abated. No compelling arthritis signatures were identified. Such innate systems vaccinology approaches should inform refinements in poxvirus-based vector design.

The international SARS-CoV-2 pandemic has resulted in an urgent need to identify new anti-viral drugs for treatment of COVID-19 patients. The initial step to identifying potential candidates usually involves in vitro screening. Here we describe a simple rapid bioassay for drug screening using Vero E6 cells and inhibition of cytopathic effects (CPE) measured using crystal violet staining. The assay clearly illustrated the anti-viral activity of remdesivir, a drug known to inhibit SARS-CoV-2 replication. A key refinement involves a simple growth assay to identify drug concentrations that cause cellular stress or “cytomorbidity”, as distinct from cytotoxicity or loss of viability. For instance, hydroxychloroquine shows anti-viral activity at concentrations that slow cell growth, arguing that its purported in vitro anti-viral activity arises from non-specific impairment of cellular activities.