The coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic continues worldwide with many variants arising, some of which are variants of concern (VOCs). A recent VOC, omicron (B.1.1.529), which obtains a large number of mutations in the receptor-binding domain (RBD) of the spike protein, has risen to intense scientific and public attention. Here, we studied the binding properties between the human receptor ACE2 (hACE2) and the VOC RBDs and resolved the crystal and cryoelectron microscopy structures of the omicron RBD-hACE2 complex as well as the crystal structure of the delta RBD-hACE2 complex. We found that, unlike alpha, beta, and gamma, omicron RBD binds to hACE2 at a similar affinity to that of the prototype RBD, which might be due to compensation of multiple mutations for both immune escape and transmissibility. The complex structures of omicron RBD-hACE2 and delta RBD-hACE2 reveal the structural basis of how RBD-specific mutations bind to hACE2.

Flaviviruses infect hundreds of millions of people annually, and no antiviral therapy is available. We performed a genome-wide CRISPR/Cas9-based screen to identify host genes that, when edited, resulted in reduced flavivirus infection. Here, we validated nine human genes required for flavivirus infectivity, and these were associated with endoplasmic reticulum functions including translocation, protein degradation, and N-linked glycosylation. In particular, a subset of endoplasmic reticulum-associated signal peptidase complex (SPCS) proteins was necessary for proper cleavage of the flavivirus structural proteins (prM and E) and secretion of viral particles. Loss of SPCS1 expression resulted in markedly reduced yield of all Flaviviridae family members tested (West Nile, Dengue, Zika, yellow fever, Japanese encephalitis, and hepatitis C viruses), but had little impact on alphavirus, bunyavirus, or rhabdovirus infection or the surface expression or secretion of diverse host proteins. We found that SPCS1 dependence could be bypassed by replacing the native prM protein leader sequences with a class I major histocompatibility complex (MHC) antigen leader sequence. Thus, SPCS1, either directly or indirectly via its interactions with unknown host proteins, preferentially promotes the processing of specific protein cargo, and Flaviviridae have a unique dependence on this signal peptide processing pathway. SPCS1 and other signal processing pathway members could represent pharmacological targets for inhibiting infection by the expanding number of flaviviruses of medical concern.

Arthritogenic alphaviruses comprise a group of enveloped RNA viruses that are transmitted to humans by mosquitoes and cause debilitating acute and chronic musculoskeletal disease 1 . The host factors required for alphavirus entry remain poorly characterized 2 . Here we use a genome-wide CRISPR–Cas9-based screen to identify the cell adhesion molecule Mxra8 as an entry mediator for multiple emerging arthritogenic alphaviruses, including chikungunya, Ross River, Mayaro and O’nyong nyong viruses. Gene editing of mouse Mxra8 or human MXRA8 resulted in reduced levels of viral infection of cells and, reciprocally, ectopic expression of these genes resulted in increased infection. Mxra8 bound directly to chikungunya virus particles and enhanced virus attachment and internalization into cells. Consistent with these findings, Mxra8–Fc fusion protein or anti-Mxra8 monoclonal antibodies blocked chikungunya virus infection in multiple cell types, including primary human synovial fibroblasts, osteoblasts, chondrocytes and skeletal muscle cells. Mutagenesis experiments suggest that Mxra8 binds to a surface-exposed region across the A and B domains of chikungunya virus E2 protein, which are a speculated site of attachment. Finally, administration of the Mxra8–Fc protein or anti-Mxra8 blocking antibodies to mice reduced chikungunya and O’nyong nyong virus infection as well as associated foot swelling. Pharmacological targeting of Mxra8 could form a strategy for mitigating infection and disease by multiple arthritogenic alphaviruses. The cell adhesion molecule Mxra8 is identified as a receptor for multiple arthritogenic alphaviruses such as chikungunya virus, and anti-Mxra8 monoclonal antibodies are shown to reduce rates of chikungunya virus infection in mice and a range of human cells.

The global spread of SARS-CoV-2 is posing major public health challenges. One feature of SARS-CoV-2 spike protein is the insertion of multi-basic residues at the S1/S2 subunit cleavage site. Here, we find that the virus with intact spike (Sfull) preferentially enters cells via fusion at the plasma membrane, whereas a clone (Sdel) with deletion disrupting the multi-basic S1/S2 site utilizes an endosomal entry pathway. Using Sdel as model, we perform a genome-wide CRISPR screen and identify several endosomal entry-specific regulators. Experimental validation of hits from the CRISPR screen shows that host factors regulating the surface expression of angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) affect entry of Sfull virus. Animal-to-animal transmission with the Sdel virus is reduced compared to Sfull in the hamster model. These findings highlight the critical role of the S1/S2 boundary of SARS-CoV-2 spike protein in modulating virus entry and transmission and provide insights into entry of coronaviruses.

Importance

 The coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) threatens global public health. The association between clinical characteristics of the virus and neutralizing antibodies (NAbs) against this virus have not been well studied. 

Objective

 To examine the association between clinical characteristics and levels of NAbs in patients who recovered from COVID-19. 

Design, Setting, and Participants

 In this cohort study, a total of 175 patients with mild symptoms of COVID-19 who were hospitalized from January 24 to February 26, 2020, were followed up until March 16, 2020, at Shanghai Public Health Clinical Center, Shanghai, China. 

Exposures

 SARS-CoV-2 infections were diagnosed and confirmed by reverse transcriptase–polymerase chain reaction testing of nasopharyngeal samples. 

Main Outcomes and Measures

 The primary outcome was SARS-CoV-2–specific NAb titers. Secondary outcomes included spike-binding antibodies, cross-reactivity against SARS-associated CoV, kinetics of NAb development, and clinical information, including age, sex, disease duration, length of stay, lymphocyte counts, and blood C-reactive protein level. 

Results

 Of the 175 patients with COVID-19, 93 were female (53%); the median age was 50 (interquartile range [IQR], 37-63) years. The median length of hospital stay was 16 (IQR, 13-21) days, and the median disease duration was 22 (IQR, 18-26) days. Variable levels of SARS-CoV-2–specific NAbs were observed at the time of discharge (50% inhibitory dose [ID50], 1076 [IQR, 448-2048]). There were 10 patients whose NAb titers were less than the detectable level of the assay (ID50, <40), and 2 patients who showed very high titers of NAbs, with ID50 levels of 15 989 and 21 567. NAbs were detected in patients from day 4 to 6 and reached peak levels from day 10 to 15 after disease onset. NAbs were unable to cross-react with SARS-associated CoV and NAb titers correlated with the spike-binding antibodies targeting S1 (r = 0.451; 95% CI, 0.320-0.564;P < .001), receptor binding domain (r = 0.484; 95% CI, 0.358-0.592;P < .001), and S2 regions (r = 0.346; 95% CI, 0.204-0.473;P < .001). NAb titers at the time of discharge were significantly higher in the 82 men (1417 [IQR, 541-2253]) than those in the 93 women (905 [IQR, 371-1687]) (median difference, 512; 95% CI, 82-688;P = .01) and at the time of follow-up in 56 male patients (1049 [IQR, 552-2454]) vs 61 female patients (751 [IQR, 216-1301]) (median difference, 298; 95% CI, 86-732;P = .009). Plasma NAb titers were significantly higher in 56 older (1537 [IQR, 877-2427) and 63 middle-aged (1291 [IQR, 504-2126]) patients than in 56 younger patients (459 [IQR, 225-998]) (older vs younger: median difference, 1078; 95% CI, 548-1287;P < .001; middle-aged vs younger: median difference, 832; 95% CI, 284-1013;P < .001). The NAb titers were correlated with plasma C-reactive protein levels (r = 0.508; 95% CI, 0.386-0.614;P < .001) and negatively correlated with lymphocyte counts (r = −0.427; 95% CI, −0.544 to −0.293;P < .001) at the time of admission. 

Conclusions and Relevance

 In this cohort study, among 175 patients who recovered from mild COVID-19 in Shanghai, China, NAb titers to SARS-CoV-2 appeared to vary substantially. Further research is needed to understand the clinical implications of differing NAb titers for protection against future infection.

The pandemic of COVID-19, caused by SARS-CoV-2, is a major global health threat. Epidemiological studies suggest that bats (Rhinolophus affinis) are the natural zoonotic reservoir for SARS-CoV-2. However, the host range of SARS-CoV-2 and intermediate hosts that facilitate its transmission to humans remain unknown. The interaction of coronavirus with its host receptor is a key genetic determinant of host range and cross-species transmission. SARS-CoV-2 uses angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) as the receptor to enter host cells in a species-dependent manner. In this study, we characterized the ability of ACE2 from diverse species to support viral entry. By analyzing the conservation of five residues in two virus-binding hotspots of ACE2 (hotspot 31Lys and hotspot 353Lys), we predicted 80 ACE2 proteins from mammals that could potentially mediate SARS-CoV-2 entry. We chose 48 ACE2 orthologs among them for functional analysis, and showed that 44 of these orthologs-including domestic animals, pets, livestock, and animals commonly found in zoos and aquaria-could bind the SARS-CoV-2 spike protein and support viral entry. In contrast, New World monkey ACE2 orthologs could not bind the SARS-CoV-2 spike protein and support viral entry. We further identified the genetic determinant of New World monkey ACE2 that restricts viral entry using genetic and functional analyses. These findings highlight a potentially broad host tropism of SARS-CoV-2 and suggest that SARS-CoV-2 might be distributed much more widely than previously recognized, underscoring the necessity to monitor susceptible hosts to prevent future outbreaks.

Although a causal relationship between Zika virus (ZIKV) and microcephaly has been established, it remains unclear why ZIKV, but not other pathogenic flaviviruses, causes congenital defects. Here we show that when viruses are produced in mammalian cells, ZIKV, but not the closely related dengue virus (DENV) or West Nile virus (WNV), can efficiently infect key placental barrier cells that directly contact the fetal bloodstream. We show that AXL, a receptor tyrosine kinase, is the primary ZIKV entry cofactor on human umbilical vein endothelial cells (HUVECs), and that ZIKV uses AXL with much greater efficiency than does DENV or WNV. Consistent with this observation, only ZIKV, but not WNV or DENV, bound the AXL ligand Gas6. In comparison, when DENV and WNV were produced in insect cells, they also infected HUVECs in an AXL-dependent manner. Our data suggest that ZIKV, when produced from mammalian cells, infects fetal endothelial cells much more efficiently than other pathogenic flaviviruses because it binds Gas6 more avidly, which in turn facilitates its interaction with AXL.

Glioblastoma is a highly lethal brain cancer that frequently recurs in proximity to the original resection cavity. We explored the use of oncolytic virus therapy against glioblastoma with Zika virus (ZIKV), a flavivirus that induces cell death and differentiation of neural precursor cells in the developing fetus. ZIKV preferentially infected and killed glioblastoma stem cells (GSCs) relative to differentiated tumor progeny or normal neuronal cells. The effects against GSCs were not a general property of neurotropic flaviviruses, as West Nile virus indiscriminately killed both tumor and normal neural cells. ZIKV potently depleted patient-derived GSCs grown in culture and in organoids. Moreover, mice with glioblastoma survived substantially longer and at greater rates when the tumor was inoculated with a mouse-adapted strain of ZIKV. Our results suggest that ZIKV is an oncolytic virus that can preferentially target GSCs; thus, genetically modified strains that further optimize safety could have therapeutic efficacy for adult glioblastoma patients.