Kidney failure is frequently observed during and after COVID-19, but it remains elusive whether this is a direct effect of the virus. Here, we report that SARS-CoV-2 directly infects kidney cells and is associated with increased tubule-interstitial kidney fibrosis in patient autopsy samples. To study direct effects of the virus on the kidney independent of systemic effects of COVID-19, we infected human-induced pluripotent stem-cell-derived kidney organoids with SARS-CoV-2. Single-cell RNA sequencing indicated injury and dedifferentiation of infected cells with activation of profibrotic signaling pathways. Importantly, SARS-CoV-2 infection also led to increased collagen 1 protein expression in organoids. A SARS-CoV-2 protease inhibitor was able to ameliorate the infection of kidney cells by SARS-CoV-2. Our results suggest that SARS-CoV-2 can directly infect kidney cells and induce cell injury with subsequent fibrosis. These data could explain both acute kidney injury in COVID-19 patients and the development of chronic kidney disease in long COVID.

Abstract With the ongoing SARS-CoV-2 pandemic there is an urgent need for the discovery of a treatment for the coronavirus disease (COVID-19). Drug repurposing is one of the most rapid strategies for addressing this need and numerous compounds have been selected for in vitro testing by several groups already. These have led to a growing database of molecules with in vitro activity against the virus. Machine learning models can assist drug discovery through prediction of the best compounds based on previously published data. Herein we have implemented several machine learning methods to develop predictive models from recent SARS-CoV-2 in vitro inhibition data and used them to prioritize additional FDA approved compounds for in vitro testing selected from our in-house compound library. From the compounds predicted with a Bayesian machine learning model, CPI1062 and CPI1155 showed antiviral activity in HeLa-ACE2 cell-based assays and represent potential repurposing opportunities for COVID-19. This approach can be greatly expanded to exhaustively virtually screen available molecules with predicted activity against this virus as well as a prioritization tool for SARS-CoV-2 antiviral drug discovery programs. The very latest model for SARS-CoV-2 is available at www.assaycentral.org .

Abstract SARS-CoV-2 is the causative agent of COVID-19. The dimeric form of the viral main protease is responsible for the cleavage of the viral polyprotein in 11 sites, including its own N and C-terminus. Although several mechanisms of self-cleavage had been proposed for SARS-CoV, the lack of structural information for each step is a setback to the understanding of this process. Herein, we used X-ray crystallography to characterize an immature form of the main protease, which revealed major conformational changes in the positioning of domain-three over the active site, hampering the dimerization and diminishing its activity. We propose that this form preludes the cis-cleavage of N-terminal residues within the dimer, leading to the mature active site. Using fragment screening, we probe new cavities in this form which can be used to guide therapeutic development. Furthermore, we characterized a serine site-directed mutant of the main protease bound to its endogenous N and C-terminal residues during the formation of the tetramer. This quaternary form is also present in solution, suggesting a transitional state during the C-terminal trans-cleavage. This data sheds light in the structural modifications of the SARS-CoV-2 main protease during maturation, which can guide the development of new inhibitors targeting its intermediary states.

Abstract There are currently relatively few small-molecule antiviral drugs that are either approved or emergency approved for use against SARS-CoV-2. One of these is remdesivir, which was originally repurposed from its use against Ebola and functions by causing early RNA chain termination. We used this as justification to evaluate three molecules we had previously identified computationally with antiviral activity against Ebola and Marburg. Out of these we previously identified pyronaridine, which inhibited the SARS-CoV-2 replication in A549-ACE2 cells. Herein, the in vivo efficacy of pyronaridine has now been assessed in a K18-hACE transgenic mouse model of COVID-19. Pyronaridine treatment demonstrated a statistically significant reduction of viral load in the lungs of SARS CoV-2 infected mice. Furthermore, the pyronaridine treated group reduced lung pathology, which was also associated with significant reduction in the levels of pro-inflammatory cytokines/chemokine and cell infiltration. Notably, pyronaridine inhibited the viral PL pro activity in vitro (IC 50 of 1.8 µM) without any effect on M pro , indicating a possible molecular mechanism involved in its ability to inhibit SARS-CoV-2 replication. Interestingly, pyronaridine also selectively inhibits the host kinase CAMK1 (IC 50 of 2.4 µM). We have also generated several pyronaridine analogs to assist in understanding the structure activity relationship for PL pro inhibition. Our results indicate that pyronaridine is a potential therapeutic candidate for COVID-19. One sentence summary There is currently intense interest in discovering small molecules with direct antiviral activity against the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-Cov-2). Pyronaridine, an antiviral drug with in vitro activity against Ebola, Marburg and SARS-CoV-2 has now statistically significantly reduced the viral load in mice along with IL-6, TNF-α, and IFN-β ultimately demonstrating a protective effect against lung damage by infection to provide a new potential treatment for testing clinically.

Abstract SARS-CoV-2 is the causative agent of COVID-19. The highly conserved viral NSP15 endoribonuclease, NendoU, is a key enzyme involved in viral immune evasion, and a promising target for the development of new classes of antivirals. Yet, the broad variety of recognition sequences, complex assembly and kinetics, and lack of structural complexes hampers the development of new competitive or allosteric inhibitors for this target. Here, we performed enzymatic characterization of NendoU in its monomeric and hexameric form, showing that hexamers are allosteric enzymes with a positive cooperative index of 2. By using cryo-EM at distinct pH’s combined with X-ray crystallography and structural analysis, we demonstrate the potential for NendoU to shift between open and closed states, and assembly in larger supramolecular entities, which might serve as a mechanism of self-regulation. Further, we report results from a large fragment screening campaign against NendoU, revealing multiple new allosteric sites for the development of inhibitors.