A novel severe acute respiratory syndrome (SARS)-like coronavirus (SARS-CoV-2) recently emerged and is rapidly spreading in humans, causing COVID-191,2. A key to tackling this pandemic is to understand the receptor recognition mechanism of the virus, which regulates its infectivity, pathogenesis and host range. SARS-CoV-2 and SARS-CoV recognize the same receptor—angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2)—in humans3,4. Here we determined the crystal structure of the receptor-binding domain (RBD) of the spike protein of SARS-CoV-2 (engineered to facilitate crystallization) in complex with ACE2. In comparison with the SARS-CoV RBD, an ACE2-binding ridge in SARS-CoV-2 RBD has a more compact conformation; moreover, several residue changes in the SARS-CoV-2 RBD stabilize two virus-binding hotspots at the RBD–ACE2 interface. These structural features of SARS-CoV-2 RBD increase its ACE2-binding affinity. Additionally, we show that RaTG13, a bat coronavirus that is closely related to SARS-CoV-2, also uses human ACE2 as its receptor. The differences among SARS-CoV-2, SARS-CoV and RaTG13 in ACE2 recognition shed light on the potential animal-to-human transmission of SARS-CoV-2. This study provides guidance for intervention strategies that target receptor recognition by SARS-CoV-2. The crystal structure of the receptor-binding domain of the SARS-CoV-2 spike in complex with human ACE2, compared with the receptor-binding domain of SARS-CoV, sheds light on the structural features that increase its binding affinity to ACE2.

A novel severe acute respiratory syndrome (SARS)-like coronavirus (SARS-CoV-2) is causing the global coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic. Understanding how SARS-CoV-2 enters human cells is a high priority for deciphering its mystery and curbing its spread. A virus surface spike protein mediates SARS-CoV-2 entry into cells. To fulfill its function, SARS-CoV-2 spike binds to its receptor human ACE2 (hACE2) through its receptor-binding domain (RBD) and is proteolytically activated by human proteases. Here we investigated receptor binding and protease activation of SARS-CoV-2 spike using biochemical and pseudovirus entry assays. Our findings have identified key cell entry mechanisms of SARS-CoV-2. First, SARS-CoV-2 RBD has higher hACE2 binding affinity than SARS-CoV RBD, supporting efficient cell entry. Second, paradoxically, the hACE2 binding affinity of the entire SARS-CoV-2 spike is comparable to or lower than that of SARS-CoV spike, suggesting that SARS-CoV-2 RBD, albeit more potent, is less exposed than SARS-CoV RBD. Third, unlike SARS-CoV, cell entry of SARS-CoV-2 is preactivated by proprotein convertase furin, reducing its dependence on target cell proteases for entry. The high hACE2 binding affinity of the RBD, furin preactivation of the spike, and hidden RBD in the spike potentially allow SARS-CoV-2 to maintain efficient cell entry while evading immune surveillance. These features may contribute to the wide spread of the virus. Successful intervention strategies must target both the potency of SARS-CoV-2 and its evasiveness.

Antibody-dependent enhancement (ADE) of viral entry has been observed for many viruses. It was shown that antibodies target one serotype of viruses but only subneutralize another, leading to ADE of the latter viruses. Here we identify a novel mechanism for ADE: a neutralizing antibody binds to the surface spike protein of coronaviruses like a viral receptor, triggers a conformational change of the spike, and mediates viral entry into IgG Fc receptor-expressing cells through canonical viral-receptor-dependent pathways. We further evaluated how antibody dosages impacted viral entry into cells expressing viral receptor, Fc receptor, or both receptors. This study reveals complex roles of antibodies in viral entry and can guide future vaccine design and antibody-based drug therapy.

Coronavirus spike proteins from different genera are divergent, although they all mediate coronavirus entry into cells by binding to host receptors and fusing viral and cell membranes. Here, we determined the cryo-electron microscopy structure of porcine deltacoronavirus (PdCoV) spike protein at 3.3-Å resolution. The trimeric protein contains three receptor-binding S1 subunits that tightly pack into a crown-like structure and three membrane fusion S2 subunits that form a stalk. Each S1 subunit contains two domains, an N-terminal domain (S1-NTD) and C-terminal domain (S1-CTD). PdCoV S1-NTD has the same structural fold as alpha- and betacoronavirus S1-NTDs as well as host galectins, and it recognizes sugar as its potential receptor. PdCoV S1-CTD has the same structural fold as alphacoronavirus S1-CTDs, but its structure differs from that of betacoronavirus S1-CTDs. PdCoV S1-CTD binds to an unidentified receptor on host cell surfaces. PdCoV S2 is locked in the prefusion conformation by structural restraint of S1 from a different monomeric subunit. PdCoV spike possesses several structural features that may facilitate immune evasion by the virus, such as its compact structure, concealed receptor-binding sites, and shielded critical epitopes. Overall, this study reveals that deltacoronavirus spikes are structurally and evolutionally more closely related to alphacoronavirus spikes than to betacoronavirus spikes; it also has implications for the receptor recognition, membrane fusion, and immune evasion by deltacoronaviruses as well as coronaviruses in general. IMPORTANCE In this study, we determined the cryo-electron microscopy structure of porcine deltacoronavirus (PdCoV) spike protein at a 3.3-Å resolution. This is the first atomic structure of a spike protein from the deltacoronavirus genus, which is divergent in amino acid sequences from the well-studied alpha- and betacoronavirus spike proteins. Here, we described the overall structure of the PdCoV spike and the detailed structure of each of its structural elements. Moreover, we analyzed the functions of each of the structural elements. Based on the structures and functions of these structural elements, we discussed the evolution of PdCoV spike protein in relation to the spike proteins from other coronavirus genera. This study combines the structure, function, and evolution of PdCoV spike protein and provides many insights into its receptor recognition, membrane fusion, and immune evasion.

As cell-invading molecular machinery, coronavirus spike proteins pose an evolutionary conundrum due to their high divergence. In this study, we determined the cryo-EM structure of avian infectious bronchitis coronavirus (IBV) spike protein from the γ-genus. The trimeric IBV spike ectodomain contains three receptor-binding S1 heads and a trimeric membrane-fusion S2 stalk. While IBV S2 is structurally similar to those from the other genera, IBV S1 possesses structural features that are unique to different other genera, thereby bridging these diverse spikes into an evolutionary spectrum. Specifically, among different genera, the two domains of S1, the N-terminal domain (S1-NTD) and C-terminal domain (S1-CTD), diverge from simpler tertiary structures and quaternary packing to more complex ones, leading to different functions of the spikes in receptor usage and membrane fusion. Based on the above structural and functional comparisons, we propose that the evolutionary spectrum of coronavirus spikes follows the order of α-, δ-, γ-, and β-genus. This study has provided insight into the evolutionary relationships among coronavirus spikes and deepened our understanding of their structural and functional diversity.

With the dramatic increase in international travel among Chinese people, the risk of malaria importation from malaria-endemic regions threatens the achievement of the malaria elimination goal of China. Epidemiological investigations of all imported malaria cases were conducted in nine provinces of China from 1 Nov, 2013 to 30 Oct, 2014. Plasmodium species, spatiotemporal distribution, clinical severity, preventive measures and infection history of the imported malaria cases were analysed using descriptive statistics. A total of 1420 imported malaria cases were recorded during the study period, with P. falciparum (723 cases, 50.9 %) and P. vivax (629 cases, 44.3 %) being the two predominant species. Among them, 81.8 % of cases were in Chinese overseas labourers. The imported cases returned from 41 countries, mainly located in Africa (58.9 %) and Southeast Asia (39.4 %). About a quarter (25.5 %, 279/1094) of counties in the nine study provinces were affected by imported malaria cases. There were 112 cases (7.9 %) developing complicated malaria, including 12 deaths (case fatality rate: 0.8 %). Only 27.8 % of the imported cases had taken prophylactic anti-malarial drugs. While staying abroad, 27.7 % of the cases had experienced two or more episodes of malaria infection. The awareness of clinical manifestations and the capacity for malaria diagnosis were weak in private clinics and primary healthcare facilities. Imported malaria infections among Chinese labourers, returned from various countries, poses an increasing challenge to the malaria elimination programme in China. The risk of potential re-introduction of malaria into inland malaria-free areas of China should be urgently addressed.

The key to battling the COVID-19 pandemic and its potential aftermath is to develop a variety of vaccines that are efficacious and safe, elicit lasting immunity, and cover a range of SARS-CoV-2 variants. Recombinant viral receptor-binding domains (RBDs) are safe vaccine candidates but often have limited efficacy due to the lack of virus-like immunogen display pattern. Here we have developed a novel virus-like nanoparticle (VLP) vaccine that displays 120 copies of SARS-CoV-2 RBD on its surface. This VLP-RBD vaccine mimics virus-based vaccines in immunogen display, which boosts its efficacy, while maintaining the safety of protein-based subunit vaccines. Compared to the RBD vaccine, the VLP-RBD vaccine induced five times more neutralizing antibodies in mice that efficiently blocked SARS-CoV-2 from attaching to its host receptor and potently neutralized the cell entry of variant SARS-CoV-2 strains, SARS-CoV-1, and SARS-CoV-1-related bat coronavirus. These neutralizing immune responses induced by the VLP-RBD vaccine did not wane during the two-month study period. Furthermore, the VLP-RBD vaccine effectively protected mice from SARS-CoV-2 challenge, dramatically reducing the development of clinical signs and pathological changes in immunized mice. The VLP-RBD vaccine provides one potentially effective solution to controlling the spread of SARS-CoV-2.

Coronaviruses are capable of colonizing new species, as evidenced by the recent emergence of SARS and MERS coronaviruses; they can also infect multiple tissues in the same species. Lysosomal proteases play critical roles in coronavirus entry by cleaving coronavirus surface spike proteins and activating the fusion of host and viral membranes; they also play critical roles in cell physiology by processing cellular products. How do different lysosomal protease activities from different cells impact coronavirus entry? Here, we controlled the contributions from known factors that function in coronavirus entry so that lysosomal protease activities became the only or the main determinant of coronavirus entry. Using pseudovirus entry, cell-cell fusion, and biochemical assays, we showed that lysosomal proteases from bat cells activate coronavirus spike-mediated membrane fusion more efficiently than their counterparts from human cells. Our study provides the first direct evidence supporting lysosomal proteases as a determinant of the species and tissue tropisms of coronaviruses.

Despite the scarcity of the SARS-CoV-2 receptor—human angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2)—in the respiratory tract, the omicron variant efficiently infects the respiratory tract, causing rapid and widespread infections of COVID-19. The omicron variant contains extensive mutations in the receptor-binding domain (RBD) of its spike protein that recognizes human ACE2.