Summary Severe COVID-19 is associated with epithelial and endothelial barrier dysfunction within the lung as well as in distal organs. While it is appreciated that an exaggerated inflammatory response is associated with barrier dysfunction, the triggers of this pathology are unclear. Here, we report that cell-intrinsic interactions between the Spike (S) glycoprotein of SARS-CoV-2 and epithelial/endothelial cells are sufficient to trigger barrier dysfunction in vitro and vascular leak in vivo , independently of viral replication and the ACE2 receptor. We identify an S-triggered transcriptional response associated with extracellular matrix reorganization and TGF-β signaling. Using genetic knockouts and specific inhibitors, we demonstrate that glycosaminoglycans, integrins, and the TGF-β signaling axis are required for S-mediated barrier dysfunction. Our findings suggest that S interactions with barrier cells are a contributing factor to COVID-19 disease severity and offer mechanistic insight into SARS-CoV-2 triggered vascular leak, providing a starting point for development of therapies targeting COVID-19 pathogenesis.

ABSTRACT Positive-strand RNA viruses have been the etiological agents in several major disease outbreaks over the last few decades. Examples of that are flaviviruses, such as dengue virus and Zika virus that cause millions of yearly infections and spread around the globe, and coronaviruses, such as SARS-CoV-2, which is the cause of the current pandemic. The severity of outbreaks caused by these viruses stresses the importance of virology research in determining mechanisms to limit virus spread and to curb disease severity. Such studies require molecular tools to decipher virus-host interactions and to develop effective interventions. Here, we describe the generation and characterization of a reporter system to visualize dengue virus and SARS-CoV-2 replication in live cells. The system is based on viral protease activity causing cleavage and nuclear translocation of an engineered fluorescent protein that is expressed in the infected cells. We show the suitability of the system for live cell imaging and visualization of single infected cells as well as for screening and testing of antiviral compounds. Given the modular building blocks, the system is easy to manipulate and can be adapted to any virus encoding a protease, thus offering a high degree of flexibility. IMPORTANCE Reporter systems are useful tools for fast and quantitative visualization of viral replication and spread within a host cell population. Here we describe a reporter system that takes advantage of virus-encoded proteases that are expressed in infected cells to cleave an ER-anchored fluorescent protein fused to a nuclear localization sequence. Upon cleavage, the fluorescent protein translocates to the nucleus, allowing for rapid detection of the infected cells. Using this system, we demonstrate reliable reporting activity for two major human pathogens from the Flaviviridae and the Coronaviridae families: dengue virus and SARS-CoV-2. We apply this reporter system to live cell imaging and use it for proof-of-concept to validate antiviral activity of a nucleoside analogue. This reporter system is not only an invaluable tool for the characterization of viral replication, but also for the discovery and development of antivirals that are urgently needed to halt the spread of these viruses.

Crimean-Congo hemorrhagic fever virus (CCHFV) is a priority pathogen transmitted by tick bites, with no vaccines or specific therapeutics approved to date. Severe disease manifestations include hemorrhage, endothelial dysfunction, and multiorgan failure. Infected cells secrete the viral glycoprotein GP38, whose extracellular function is presently unknown. GP38 is considered an important target for vaccine and therapeutic design as GP38-specific antibodies can protect against severe disease in animal models, albeit through a currently unknown mechanism of action. Here, we show that GP38 induces endothelial barrier dysfunction in vitro , and that CCHFV infection, and GP38 alone, can trigger vascular leak in a mouse model. Protective antibodies that recognize specific antigenic sites on GP38, but not a protective neutralizing antibody binding the structural protein Gc, potently inhibit endothelial hyperpermeability in vitro and vascular leak in vivo during CCHFV infection. This work uncovers a function of the secreted viral protein GP38 as a viral toxin in CCHFV pathogenesis and elucidates the mode of action of non-neutralizing GP38-specific antibodies.

Dengue virus (DENV) is a medically important flavivirus causing an estimated 50-100 million dengue cases annually, some of whom progress to severe disease. DENV non-structural protein 1 (NS1) is secreted from infected cells and has been implicated as a major driver of dengue pathogenesis by inducing endothelial barrier dysfunction. However, less is known about how DENV NS1 interacts with immune cells and what role these interactions play. Here we report that DENV NS1 can trigger activation of inflammasomes, a family of cytosolic innate immune sensors that respond to infectious and noxious stimuli, in mouse and human macrophages. DENV NS1 induces the release of IL-1β in a caspase-1 dependent manner. Additionally, we find that DENV NS1-induced inflammasome activation is independent of the NLRP3, Pyrin, and AIM2 inflammasome pathways, but requires CD14. Intriguingly, DENV NS1-induced inflammasome activation does not induce pyroptosis and rapid cell death; instead, macrophages maintain cellular viability while releasing IL-1β. Lastly, we show that caspase-1/11-deficient, but not NLRP3-deficient, mice are more susceptible to lethal DENV infection. Together, these results indicate that the inflammasome pathway acts as a sensor of DENV NS1 and plays a protective role during infection.