Repurposing FDA-approved inhibitors able to prevent infection by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) could provide a rapid path to establish new therapeutic options to mitigate the effects of coronavirus disease 2019 (COVID-19). Proteolytic cleavages of the spike S protein of SARS-CoV-2, mediated by the host cell proteases cathepsin and TMPRSS2, alone or in combination, are key early activation steps required for efficient infection. The PIKfyve kinase inhibitor apilimod interferes with late endosomal viral traffic, and through an ill-defined mechanism prevents

SARS-CoV-2 cell entry starts with membrane attachment and ends with spike-protein (S) catalyzed membrane fusion depending on two cleavage steps, one usually by furin in producing cells and the second by TMPRSS2 on target cells. Endosomal cathepsins can carry out both. Using real-time 3D single virion tracking, we show fusion and genome penetration requires virion exposure to an acidic milieu of pH 6.2-6.8, even when furin and TMPRSS2 cleavages have occurred. We detect the sequential steps of S1-fragment dissociation, fusion, and content release from the cell surface in TMPRRS2 overexpressing cells only when exposed to acidic pH. We define a key role of an acidic environment for successful infection, found in endosomal compartments and at the surface of TMPRSS2 expressing cells in the acidic milieu of the nasal cavity.Infection by SARS-CoV-2 depends upon the S large spike protein decorating the virions and is responsible for receptor engagement and subsequent fusion of viral and cellular membranes allowing release of virion contents into the cell. Using new single particle imaging tools, to visualize and track the successive steps from virion attachment to fusion, combined with chemical and genetic perturbations of the cells, we provide the first direct evidence for the cellular uptake routes of productive infection in multiple cell types and their dependence on proteolysis of S by cell surface or endosomal proteases. We show that fusion and content release always require the acidic environment from endosomes, preceded by liberation of the S1 fragment which depends on ACE2 receptor engagement.Detailed molecular snapshots of the productive infectious entry pathway of SARS-CoV-2 into cells.

Abstract SARS-CoV-2 Omicron variants have generated a world-wide health crisis due to resistance to most approved SARS-CoV-2 neutralizing antibodies and evasion of antibodies induced by vaccination. Here, we describe the SARS-CoV-2 neutralizing SP1-77 antibody that was generated from a humanized mouse model with a single human V H 1-2 and Vκ1-33-associated with immensely diverse complementarity-determining-region-3 (CDR3) sequences. SP1-77 potently and broadly neutralizes SARS-CoV-2 variants of concern and binds the SARS-CoV-2 spike protein receptor-binding-domain (RBD) via a novel-CDR3-based mode. SP1-77 does not block RBD-binding to the ACE2-receptor or endocytosis step of viral entry, but rather blocks membrane fusion. Our findings provide the first mechanistic insight into how a non-ACE2 blocking antibody potently neutralizes SARS-CoV-2, which may inform strategies for designing vaccines that robustly neutralize current and future SARS-CoV-2 variants.

Abstract Synaptotagmin 1 is a vesicle-anchored membrane protein that functions as the Ca 2+ sensor for synchronous neurotransmitter release. In this work, an arginine containing region in the second C2 domain of synaptotagmin 1 (C2B) is shown to control the expansion of the fusion pore and thereby the concentration of neurotransmitter released. This arginine apex, which is opposite the Ca 2+ binding sites, interacts with membranes or membrane reconstituted SNAREs; however, only the membrane interactions occur under the conditions in which fusion takes place. Other regions of C2B influence the probably and kinetics of fusion but do not control the expansion of the fusion pore. These data indicate that the C2B domain has at least two distinct molecular roles in the fusion event, and the data are consistent with a novel model where the arginine apex of C2B positions the domain at the curved membrane surface of the expanding fusion pore.

Variants of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) challenge currently available COVID-19 vaccines and monoclonal antibody therapies through epitope change on the receptor binding domain of the viral spike glycoprotein. Hence, there is a specific urgent need for alternative antivirals that target processes less likely to be affected by mutation, such as the membrane fusion step of viral entry into the host cell. One such antiviral class includes peptide inhibitors which block formation of the so-called HR1HR2 six-helix bundle of the SARS-CoV-2 spike (S) protein and thus interfere with viral membrane fusion. Here we performed structural studies of the HR1HR2 bundle, revealing an extended, well-folded N-terminal region of HR2 that interacts with the HR1 triple helix. Based on this structure, we designed an extended HR2 peptide that achieves single-digit nanomolar inhibition of SARS-CoV-2 in cell-based fusion, VSV-SARS-CoV-2 chimera, and authentic SARS-CoV-2 infection assays without the need for modifications such as lipidation or chemical stapling. The peptide also strongly inhibits all major SARS-CoV-2 variants to date. This extended peptide is ~100-fold more potent than all previously published short, unmodified HR2 peptides, and it has a very long inhibition lifetime after washout in virus infection assays, suggesting that it targets a pre-hairpin intermediate of the SARS-CoV-2 S protein. Together, these results suggest that regions outside the HR2 helical region may offer new opportunities for potent peptide-derived therapeutics for SARS-CoV-2 and its variants, and even more distantly related viruses, and provide further support for the pre-hairpin intermediate of the S protein.SARS-CoV-2 infection requires fusion of viral and host membranes, mediated by the viral spike glycoprotein (S). Due to the importance of viral membrane fusion, S has been a popular target for developing vaccines and therapeutics. We discovered a simple peptide that inhibits infection by all major variants of SARS-CoV-2 with nanomolar efficacies. In marked contrast, widely used shorter peptides that lack a key N-terminal extension are about 100 x less potent than this peptide. Our results suggest that a simple peptide with a suitable sequence can be a potent and cost-effective therapeutic against COVID-19 and they provide new insights at the virus entry mechanism.