A newly described coronavirus named severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), which is the causative agent of coronavirus disease 2019 (COVID-19), has infected over 2.3 million people, led to the death of more than 160,000 individuals and caused worldwide social and economic disruption1,2. There are no antiviral drugs with proven clinical efficacy for the treatment of COVID-19, nor are there any vaccines that prevent infection with SARS-CoV-2, and efforts to develop drugs and vaccines are hampered by the limited knowledge of the molecular details of how SARS-CoV-2 infects cells. Here we cloned, tagged and expressed 26 of the 29 SARS-CoV-2 proteins in human cells and identified the human proteins that physically associated with each of the SARS-CoV-2 proteins using affinity-purification mass spectrometry, identifying 332 high-confidence protein-protein interactions between SARS-CoV-2 and human proteins. Among these, we identify 66 druggable human proteins or host factors targeted by 69 compounds (of which, 29 drugs are approved by the US Food and Drug Administration, 12 are in clinical trials and 28 are preclinical compounds). We screened a subset of these in multiple viral assays and found two sets of pharmacological agents that displayed antiviral activity: inhibitors of mRNA translation and predicted regulators of the sigma-1 and sigma-2 receptors. Further studies of these host-factor-targeting agents, including their combination with drugs that directly target viral enzymes, could lead to a therapeutic regimen to treat COVID-19.

Highlights•Phosphoproteomics analysis of SARS-CoV-2-infected cells uncovers signaling rewiring•Infection promotes host p38 MAPK cascade activity and shutdown of mitotic kinases•Infection stimulates CK2-containing filopodial protrusions with budding virus•Kinase activity analysis identifies potent antiviral drugs and compoundsSummaryThe causative agent of the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), has infected millions and killed hundreds of thousands of people worldwide, highlighting an urgent need to develop antiviral therapies. Here we present a quantitative mass spectrometry-based phosphoproteomics survey of SARS-CoV-2 infection in Vero E6 cells, revealing dramatic rewiring of phosphorylation on host and viral proteins. SARS-CoV-2 infection promoted casein kinase II (CK2) and p38 MAPK activation, production of diverse cytokines, and shutdown of mitotic kinases, resulting in cell cycle arrest. Infection also stimulated a marked induction of CK2-containing filopodial protrusions possessing budding viral particles. Eighty-seven drugs and compounds were identified by mapping global phosphorylation profiles to dysregulated kinases and pathways. We found pharmacologic inhibition of the p38, CK2, CDK, AXL, and PIKFYVE kinases to possess antiviral efficacy, representing potential COVID-19 therapies.Graphical abstract

The COVID-19 pandemic, caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), is a grave threat to public health and the global economy. SARS-CoV-2 is closely related to the more lethal but less transmissible coronaviruses SARS-CoV-1 and Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV). Here, we have carried out comparative viral-human protein-protein interaction and viral protein localization analyses for all three viruses. Subsequent functional genetic screening identified host factors that functionally impinge on coronavirus proliferation, including Tom70, a mitochondrial chaperone protein that interacts with both SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2 ORF9b, an interaction we structurally characterized using cryo-electron microscopy. Combining genetically validated host factors with both COVID-19 patient genetic data and medical billing records identified molecular mechanisms and potential drug treatments that merit further molecular and clinical study.

Abstract Adaptation to mosquito vectors suited for transmission in urban settings is a major driver in the emergence of arboviruses. To better anticipate future emergence events, it is crucial to assess their potential to adapt to new vector hosts. In this work, we used two different experimental evolution approaches to study the adaptation process of an emerging alphavirus, Mayaro virus (MAYV), to Aedes aegypti , an urban mosquito vector of many arboviruses. We identified E2-T179N as a key mutation increasing MAYV replication in insect cells and enhancing transmission by live Aedes aegypti . In contrast, this mutation decreased viral replication and binding in human fibroblasts, a primary cellular target of MAYV in humans. We also showed that MAYV E2-T179N was attenuated in vivo in a mouse model. We then used structural and experimental analyses to show that MAYV E2-T179N bound less efficiently to human cells, though the decrease in replication or binding was not mediated through interaction with one of the host receptors, Mxra8. When this mutation was introduced in the closely related chikungunya virus, which has caused major outbreaks globally in the past two decades, we observed increased replication in both human and insect cells, suggesting E2 position 179 is an important determinant of alphavirus host-adaptation, although in a virus-specific manner. Collectively, these results indicate that adaptation at the T179 residue in MAYV E2 may result in increased vector competence – but coming at the cost of optimal replication in humans – and may represent a first step towards a future emergence event. Author Summary Mosquito-borne viruses must replicate in both mosquito and vertebrate hosts to be maintained in nature successfully. When viruses that are typically transmitted by forest dwelling mosquitoes enter urban environments due to deforestation or travel, they must adapt to urban mosquito vectors to transmit effectively. For mosquito-borne viruses, the need to also replicate in a vertebrate host like humans constrains this adaptation process. Towards understanding how the emerging alphavirus, Mayaro virus, might adapt to transmission by the urban mosquito vector, Aedes aegypti , we used natural evolution approaches to identify several viral mutations that impacted replication in both mosquito and vertebrate hosts. We show that a single mutation in the receptor binding protein increased transmission by Aedes aegypti but simultaneously reduced replication and disease in a mouse model, suggesting that this mutation alone is unlikely to be maintained in a natural transmission cycle between mosquitoes and humans. Understanding the adaptive potential of emerging viruses is critical to preventing future pandemics.

ABSTRACT As mosquito-borne virus epidemics are often preceded by undetected spillover events, surveillance and virus discovery studies in non-urban mosquitoes informs pre-emptive and responsive public health measures. RNA-seq metagenomics is a popular methodology but it is constrained by overabundant rRNA. The lack of reference sequences for most mosquito species is a major impediment against physical and computational removal of rRNA reads. We describe a strategy to assemble novel rRNA sequences from mosquito specimens, producing an unprecedented dataset of 234 full-length 28S and 18S rRNA sequences of 33 medically important species from countries with known histories of mosquito-borne virus circulation (Cambodia, the Central African Republic, Madagascar, and French Guiana). We also evaluate the utility of rRNA sequences as molecular barcodes relative to the mitochondrial cytochrome c oxidase I (COI) gene. We show that rRNA sequences can be used for species identification when COI sequences are ambiguous or unavailable, revealing evolutionary relationships concordant with contemporary mosquito systematics. This expansion of the rRNA reference library improves mosquito RNA-seq metagenomics by permitting the optimization of species-specific rRNA depletion protocols for a broader species range and streamlined species identification by rRNA barcoding. In addition, rRNA barcodes could serve as an additional tool for mosquito taxonomy and phylogeny.