The host cell serine protease TMPRSS2 is an attractive therapeutic target for COVID-19 drug discovery. This protease activates the Spike protein of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and of other coronaviruses and is essential for viral spread in the lung. Utilizing rational structure-based drug design (SBDD) coupled to substrate specificity screening of TMPRSS2, we have discovered a novel class of small molecule ketobenzothiazole TMPRSS2 inhibitors with significantly improved activity over existing irreversible inhibitors Camostat and Nafamostat. Lead compound MM3122 ( 4 ) has an IC 50 of 340 pM against recombinant full-length TMPRSS2 protein, an EC 50 of 430 pM in blocking host cell entry into Calu-3 human lung epithelial cells of a newly developed VSV SARS-CoV-2 chimeric virus, and an EC 50 of 74 nM in inhibiting cytopathic effects induced by SARS-CoV-2 virus in Calu-3 cells. Further, MM3122 blocks Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus (MERS-CoV) cell entry with an EC 50 of 870 pM. MM3122 has excellent metabolic stability, safety, and pharmacokinetics in mice with a half-life of 8.6 hours in plasma and 7.5 h in lung tissue, making it suitable for in vivo efficacy evaluation and a promising drug candidate for COVID-19 treatment.

Antiviral therapies with reduced frequencies of administration and high barriers to resistance remain a major goal. For HIV, theories have proposed that viral-deletion variants, which conditionally replicate with a basic reproductive ratio [R

Population-level control of HIV-1 faces recognized challenges, including the evolution of viral resistance and adherence issues in resource-limited settings. It has long been proposed that viral deletion mutants that conditionally self-renew at the expense of the wild-type virus (i.e., Defective Interfering Particles, DIPs) could constitute a long-term intervention that circumvents adherence challenges and has a high genetic barrier to resistance. Theories predict that DIPs could be engineered into a therapy for HIV-1 (i.e., Therapeutic interfering particles or 'TIPs') provided they stably persist in patients (R>1) by spreading to new cells during active infection (hence, a self-replenishing antiviral). To date, DIPs amenable to such engineering have remained elusive for HIV-1. Here we report the discovery of an HIV-1 DIP and its subsequent engineering into a TIP. The TIP interferes with HIV-1 replication at multiple stages of the viral lifecycle, including genome packaging, virion maturation, and reverse transcription, essentially acting as a combination antiviral. In humanized mice, the TIP suppressed HIV-1 replication by ten-fold and significantly protected CD4+ T cells from HIV-1 mediated depletion. These data provide proof-of-concept for a class of biologic with the potential to circumvent significant barriers to HIV-1 control.

Abstract It has long been known that noncoding genomic regions can be obligate cis elements acted upon in trans by gene products. In viruses, cis elements regulate gene expression, encapsidation, and other maturation processes but mapping these elements relies on targeted iterative deletion or laborious prospecting for rare, spontaneously occurring mutants. Here, we introduce a method to comprehensively map viral cis and trans elements at single-nucleotide resolution by high-throughput random deletion. Variable-size deletions are randomly generated by transposon integration, excision, and exonuclease chewback, and then barcoded for tracking via sequencing (i.e., Ran dom- De letion L ibrary seq uencing, RanDeL-seq). Using RanDeL-seq, we generated and screened >23,000 HIV-1 variants to generate a single-base resolution map of HIV-1’s cis and trans elements. The resulting landscape recapitulated HIV-1’s known cis -acting elements (i.e., LTR, Ψ, and RRE) and surprisingly indicated that HIV-1’s central DNA flap (i.e., central polypurine tract, cPPT to central termination sequence, CTS) is as critical as the LTR, Ψ, and RRE for long-term passage. Strikingly, RanDeL-seq identified a previously unreported ∼300bp region downstream of RRE extending to splice acceptor 7 that is equally critical for sustained viral passage. RanDeL-seq was also used to construct and screen a library of >90,000 variants of Zika virus (ZIKV). Unexpectedly, RanDeL-seq indicated that ZIKV’s cis -acting regions are larger than the UTR termini, encompassing a large fraction of the non-structural genes. Collectively, RanDeL-seq provides a versatile framework for generating viral deletion mutants enabling discovery of replication mechanisms and development of novel antiviral therapeutics, particularly for emerging viral infections. Importance Recent studies have renewed interest in developing novel antiviral therapeutics and vaccines based on defective interfering particles (DIPs)—a subset of viral deletion mutant that conditionally replicate. Identifying and engineering DIPs requires that viral cis - and trans -acting elements be accurately mapped. Here we introduce a high-throughput method (Random Deletion Library sequencing, RanDeL-seq) to comprehensively map cis- and trans -acting elements within a viral genome. RanDeL-seq identified essential cis elements in HIV, including the obligate nature of the once-controversial viral central poly-purine tract (cPPT) and identified a new cis region proximal to the Rev responsive element (RRE). RanDeL-seq also identified regions of Zika virus required for replication and packaging. RanDeL-seq is a versatile and comprehensive technique to rapidly map cis and trans regions of a genome.