Significance RNase L, an antiviral enzyme activated during infection, degrades viral and cellular RNAs, inhibits protein synthesis, and restricts the replication and spread of diverse viruses. RNase L activation depends on 2′,5′-oligoadenylates synthesized by different oligoadenylate synthetases (OASs), i.e., OAS1, OAS2, and OAS3. OASs are induced by interferon and are activated by viral dsRNA. It has been unclear which of these OAS proteins is necessary and/or sufficient to activate RNase L during viral infections. We show that OAS3, but not OAS1 or OAS2, is required to activate RNase L and to restrict the replication of four different human viruses. These findings suggest that OAS3 may provide a target for antiviral therapies and that OAS1 and OAS2 may have alternative roles.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) emerged in China at the end of 2019 and has rapidly caused a pandemic, with over 20 million recorded COVID-19 cases in August 2020 (https://covid19.who.int/). There are no FDA-approved antivirals or vaccines for any coronavirus, including SARS-CoV-2. Current treatments for COVID-19 are limited to supportive therapies and off-label use of FDA-approved drugs. Rapid development and human testing of potential antivirals is urgently needed. Numerous drugs are already approved for human use, and subsequently, there is a good understanding of their safety profiles and potential side effects, making them easier to fast-track to clinical studies in COVID-19 patients. Here, we present data on the antiviral activity of 20 FDA-approved drugs against SARS-CoV-2 that also inhibit SARS-CoV and Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV). We found that 17 of these inhibit SARS-CoV-2 at non-cytotoxic concentrations. We directly followed up seven of these to demonstrate that all are capable of inhibiting infectious SARS-CoV-2 production. Moreover, we evaluated two of these, chloroquine and chlorpromazine,

Coronaviruses are of veterinary and medical importance and include highly pathogenic zoonotic viruses, such as SARS-CoV and MERS-CoV. They are known to efficiently evade early innate immune responses, manifesting in almost negligible expression of type-I interferons (IFN-I). This evasion strategy suggests an evolutionary conserved viral function that has evolved to prevent RNA-based sensing of infection in vertebrate hosts. Here we show that the coronavirus endonuclease (EndoU) activity is key to prevent early induction of double-stranded RNA (dsRNA) host cell responses. Replication of EndoU-deficient coronaviruses is greatly attenuated in vivo and severely restricted in primary cells even during the early phase of the infection. In macrophages we found immediate induction of IFN-I expression and RNase L-mediated breakdown of ribosomal RNA. Accordingly, EndoU-deficient viruses can retain replication only in cells that are deficient in IFN-I expression or sensing, and in cells lacking both RNase L and PKR. Collectively our results demonstrate that the coronavirus EndoU efficiently prevents simultaneous activation of host cell dsRNA sensors, such as Mda5, OAS and PKR. The localization of the EndoU activity at the site of viral RNA synthesis–within the replicase complex—suggests that coronaviruses have evolved a viral RNA decay pathway to evade early innate and intrinsic antiviral host cell responses.

Coronaviruses are adept at evading host antiviral pathways induced by viral double-stranded RNA, including interferon (IFN) signaling, oligoadenylate synthetase–ribonuclease L (OAS-RNase L), and protein kinase R (PKR). While dysregulated or inadequate IFN responses have been associated with severe coronavirus infection, the extent to which the recently emerged SARS-CoV-2 activates or antagonizes these pathways is relatively unknown. We found that SARS-CoV-2 infects patient-derived nasal epithelial cells, present at the initial site of infection; induced pluripotent stem cell-derived alveolar type 2 cells (iAT2), the major cell type infected in the lung; and cardiomyocytes (iCM), consistent with cardiovascular consequences of COVID-19 disease. Robust activation of IFN or OAS-RNase L is not observed in these cell types, whereas PKR activation is evident in iAT2 and iCM. In SARS-CoV-2–infected Calu-3 and A549 ACE2 lung-derived cell lines, IFN induction remains relatively weak; however, activation of OAS-RNase L and PKR is observed. This is in contrast to Middle East respiratory syndrome (MERS)-CoV, which effectively inhibits IFN signaling and OAS-RNase L and PKR pathways, but is similar to mutant MERS-CoV lacking innate immune antagonists. Remarkably, OAS-RNase L and PKR are activated in MAVS knockout A549 ACE2 cells, demonstrating that SARS-CoV-2 can induce these host antiviral pathways despite minimal IFN production. Moreover, increased replication and cytopathic effect in RNASEL knockout A549 ACE2 cells implicates OAS-RNase L in restricting SARS-CoV-2. Finally, while SARS-CoV-2 fails to antagonize these host defense pathways, which contrasts with other coronaviruses, the IFN signaling response is generally weak. These host–virus interactions may contribute to the unique pathogenesis of SARS-CoV-2.

Summary Coronaviruses are adept at evading host antiviral pathways induced by viral double-stranded RNA, including interferon (IFN) signaling, oligoadenylate synthetase–ribonuclease L (OAS-RNase L), and protein kinase R (PKR). While dysregulated or inadequate IFN responses have been associated with severe coronavirus infection, the extent to which the recently emerged SARS-CoV-2 activates or antagonizes these pathways is relatively unknown. We found that SARS-CoV-2 infects patient-derived nasal epithelial cells, present at the initial site of infection, induced pluripotent stem cell-derived alveolar type 2 cells (iAT2), the major cell type infected in the lung, and cardiomyocytes (iCM), consistent with cardiovascular consequences of COVID-19 disease. Robust activation of IFN or OAS-RNase L is not observed in these cell types, while PKR activation is evident in iAT2 and iCM. In SARS-CoV-2 infected Calu-3 and A549 ACE2 lung-derived cell lines, IFN induction remains relatively weak; however activation of OAS-RNase L and PKR is observed. This is in contrast to MERS-CoV, which effectively inhibits IFN signaling as well as OAS-RNase L and PKR pathways, but similar to mutant MERS-CoV lacking innate immune antagonists. Remarkably, both OAS-RNase L and PKR are activated in MAVS knockout A549 ACE2 cells, demonstrating that SARS-CoV-2 can induce these host antiviral pathways despite minimal IFN production. Moreover, increased replication and cytopathic effect in RNASEL knockout A549 ACE2 cells implicates OAS-RNase L in restricting SARS-CoV-2. Finally, while SARS-CoV-2 fails to antagonize these host defense pathways, which contrasts with other coronaviruses, the IFN signaling response is generally weak. These host-virus interactions may contribute to the unique pathogenesis of SARS-CoV-2. Significance SARS-CoV-2 emergence in late 2019 led to the COVID-19 pandemic that has had devastating effects on human health and the economy. Early innate immune responses are essential for protection against virus invasion. While inadequate innate immune responses are associated with severe COVID-19 diseases, understanding of the interaction of SARS-CoV-2 with host antiviral pathways is minimal. We have characterized the innate immune response to SARS-CoV-2 infections in relevant respiratory tract derived cells and cardiomyocytes and found that SARS-CoV-2 activates two antiviral pathways, oligoadenylate synthetase–ribonuclease L (OAS-RNase L), and protein kinase R (PKR), while inducing minimal levels of interferon. This in contrast to MERS-CoV which inhibits all three pathways. Activation of these pathways may contribute to the distinctive pathogenesis of SARS-CoV-2.

The Omicron SARS-CoV-2 variant has been designated a variant of concern because its spike protein is heavily mutated. In particular, Omicron spike is mutated at 5 positions (K417, N440, E484, Q493 and N501) that have been associated with escape from neutralizing antibodies induced by either infection with or immunization against the early Washington strain of SARS-CoV-2. The mouse-adapted strain of SARS-CoV-2, SARS2-N501Y MA30 , contains a spike that is also heavily mutated, with mutations at 4 of the 5 positions in Omicron spike associated with neutralizing antibody escape (K417, E484, Q493 and N501). In this manuscript we show that intranasal immunization with a pre-fusion stabilized Washington strain spike, expressed from a highly attenuated, replication-competent vaccinia virus construct, NYVAC-KC, fully protected mice against disease and death from SARS2-N501Y MA30 . Similarly, immunization by scarification on the skin fully protected against death, but not from mild disease. This data demonstrates that Washington strain spike, when expressed from a highly attenuated, replication-competent poxvirus, administered without parenteral injection can fully protect against the heavily mutated mouse-adapted SARS2-N501Y MA30 .

Abstract SARS-CoV-2 emerged in China at the end of 2019 and caused the global pandemic of COVID-19, a disease with high morbidity and mortality. While our understanding of this new virus is rapidly increasing, gaps remain in our understanding of how SARS-CoV-2 can effectively suppress host cell antiviral responses. Recent work on other viruses has demonstrated a novel mechanism through which viral proteins can mimic critical regions of human histone proteins. Histone proteins are responsible for governing genome accessibility and their precise regulation is critical for a cell’s ability to control transcription and respond to viral threats. Here, we show that the protein encoded by ORF8 (Orf8) in SARS-CoV-2 functions as a histone mimic of the ARKS motif in histone 3. Orf8 is associated with chromatin, binds to numerous histone-associated proteins, and is itself acetylated within the histone mimic site. Orf8 expression in cells disrupts multiple critical histone post-translational modifications (PTMs) including H3K9ac, H3K9me3, and H3K27me3 and promotes chromatin compaction while Orf8 lacking the histone mimic motif does not. Further, SARS-CoV-2 infection in human cell lines and postmortem patient lung tissue cause these same disruptions to chromatin. However, deletion of the Orf8 gene from SARS-CoV-2 largely blocks its ability to disrupt host-cell chromatin indicating that Orf8 is responsible for these effects. Finally, deletion of the ORF8 gene affects the host-cell transcriptional response to SARS-CoV-2 infection in multiple cell types and decreases the replication of SARS-CoV-2 in human induced pluripotent stem cell-derived lung alveolar type 2 (iAT2) pulmonary cells. These findings demonstrate a novel function for the poorly understood ORF8-encoded protein and a mechanism through which SARS-CoV-2 disrupts host cell epigenetic regulation. Finally, this work provides a molecular basis for the finding that SARS-CoV-2 lacking ORF8 is associated with decreased severity of COVID-19.

ABSTRACT Coronavirus EndoU inhibits dsRNA-activated antiviral responses; however, the physiologic RNA substrates of EndoU are unknown. In this study, we used mouse hepatitis virus (MHV)-infected bone-marrow-derived macrophage (BMM) and cyclic phosphate cDNA sequencing to identify the RNA targets of EndoU. EndoU targeted viral RNA, cleaving the 3′ side of pyrimidines with a strong preference for U ⬇ A and C ⬇ A sequences (endoY ⬇ A). EndoU-dependent cleavage was detected in every region of MHV RNA, from the 5′ NTR to the 3′ NTR, including transcriptional regulatory sequences (TRS). Cleavage at two CA dinucleotides immediately adjacent to the MHV poly(A) tail suggest a mechanism to suppress negative-strand RNA synthesis and the accumulation of viral dsRNA. MHV with EndoU (EndoU mut ) or 2′-5′ phosphodiesterase (PDE mut ) mutations provoked the activation of RNase L in BMM, with corresponding cleavage of RNAs by RNase L. The physiologic targets of EndoU are viral RNA templates required for negative-strand RNA synthesis and dsRNA accumulation. Impact Coronavirus EndoU cleaves U ⬇ A and C ⬇ A sequences (endoY ⬇ A) within viral (+) strand RNA to evade dsRNA-activated host responses.

Replication defective viral genomes (DVGs) generated during virus replication are the primary triggers of antiviral immunity in many RNA virus infections. However, DVGs can also facilitate viral persistence. Why and how these two opposing functions of DVGs are achieved remain unknown. Here we report that during Sendai and respiratory syncytial virus infections DVGs selectively protect a subpopulation of cells from death and promote the establishment of persistent infections. We find that during Sendai virus infection this phenotype results from DVGs stimulating a MAVS-mediated TNF response that drives apoptosis of highly infected cells while extending the survival of cells enriched in DVGs. The pro-survival effect of TNF depends on the activity of the TNFR2/TRAF1 pathway that is regulated by MAVS signaling. These results identify TNF as a pivotal factor in determining cell fate during a viral infection and delineate a MAVS/TNFR2-mediated mechanism that drives the persistence of otherwise acute viruses.

Double-stranded RNA (dsRNA) is a pathogen associated molecular pattern recognized by multiple pattern recognition receptors and induces innate immune responses. Viral infections can generate dsRNA during virus replication. Genetic mutations can also lead to endogenous dsRNA accumulation. DsRNA is present in multiple conformations such as the A form (A-dsRNA) or Z form (Z-dsRNA). A-dsRNA has been detected from multiple viruses with positive-stranded RNA genomes (+ssRNA) but rarely from viruses with negative RNA genomes (-RNA); Z-dsRNA can be detected from influenza virus and poxvirus infections. Viruses have evolved mechanisms to antagonize cellular antiviral responses triggered by dsRNAs. For example, the vaccinia-virus E3L protein can bind and sequester dsRNA to evade host immune responses. The E3L protein encodes a Z-DNA and a dsRNA binding domains that bind to Z-form nucleic acids or dsRNA, respectively. Here we developed recombinant E3L proteins to detect dsRNA and Z-dsRNA generated from viral infections or endogenous cellular mutations. We demonstrate that the E3L recombinant protein specifically detects A-dsRNA generated from +ssRNA viruses but not-RNA viruses. We observe that among various virus infections assayed, only the influenza A virus generates Z-RNA that can be detected by anti-Z-NA antibody but not by the E3L recombinant protein containing the Z-DNA domain. The E3L recombinant protein can also detect endogenous dsRNA in PNPT1 or SUV3L1 knockout cells. Together we concluded that A-dsRNA can be produced and detected from viruses with +ssRNA genomes but not-RNA genomes, and Z-dsRNA can be produced and detected from influenza A virus.The detection of dsRNAs, which exist in the A-dsRNA or Z-RNA conformation, is important for the induction of innate immune responses. dsRNA are generated during a virus infection due to virus replication, or can accumulate to genetic mutations. We engineered recombinant vaccinia virus E3L protein that can detect A-dsRNA generated during infection with a positive-sense RNA genome virus but not a negative-sense RNA genome virus. Infection with influenza A virus generates Z-RNA that can be detected with an anti-z-antibody but not the E3L recombinant protein. The E3L recombinant protein also detects endogenous dsRNA in PNPT1 or SUV3L knockout cells. These findings highlight important characteristics of dsRNA structure and detection.