The present outbreak of a coronavirus-associated acute respiratory disease called coronavirus disease 19 (COVID-19) is the third documented spillover of an animal coronavirus to humans in only two decades that has resulted in a major epidemic. The Coronaviridae Study Group (CSG) of the International Committee on Taxonomy of Viruses, which is responsible for developing the classification of viruses and taxon nomenclature of the family Coronaviridae, has assessed the placement of the human pathogen, tentatively named 2019-nCoV, within the Coronaviridae. Based on phylogeny, taxonomy and established practice, the CSG recognizes this virus as forming a sister clade to the prototype human and bat severe acute respiratory syndrome coronaviruses (SARS-CoVs) of the species Severe acute respiratory syndrome-related coronavirus, and designates it as SARS-CoV-2. In order to facilitate communication, the CSG proposes to use the following naming convention for individual isolates: SARS-CoV-2/host/location/isolate/date. While the full spectrum of clinical manifestations associated with SARS-CoV-2 infections in humans remains to be determined, the independent zoonotic transmission of SARS-CoV and SARS-CoV-2 highlights the need for studying viruses at the species level to complement research focused on individual pathogenic viruses of immediate significance. This will improve our understanding of virus–host interactions in an ever-changing environment and enhance our preparedness for future outbreaks.

A novel coronavirus has been identified as the causative agent of severe acute respiratory syndrome (SARS). The viral main proteinase (M pro , also called 3CL pro ), which controls the activities of the coronavirus replication complex, is an attractive target for therapy. We determined crystal structures for human coronavirus (strain 229E) M pro and for an inhibitor complex of porcine coronavirus [transmissible gastroenteritis virus (TGEV)] M pro , and we constructed a homology model for SARS coronavirus (SARS-CoV) M pro . The structures reveal a remarkable degree of conservation of the substrate-binding sites, which is further supported by recombinant SARS-CoV M pro -mediated cleavage of a TGEV M pro substrate. Molecular modeling suggests that available rhinovirus 3C pro inhibitors may be modified to make them useful for treating SARS.

During the summer of 2012, in Jeddah, Saudi Arabia, a hitherto unknown coronavirus (CoV) was isolated from the sputum of a patient with acute pneumonia and renal failure (1, 2). The isolate was provisionally called human coronavirus Erasmus Medical Center (EMC) (3). Shortly thereafter, in September 2012, the same type of virus, named human coronavirus England 1, was recovered from a patient with severe respiratory illness who had been transferred from the Gulf region of the Middle East to London, United Kingdom (4) (GenBank accession no. KC164505.2). The onset of the new disease was traced back to an even earlier time point. Already in April 2012, a cluster of pneumonia cases in health care workers had occurred in an intensive care unit of a hospital in Zarqa, Jordan (5). Two persons died, both of whom were confirmed to have been infected with the novel coronavirus through a retrospective analysis of stored samples (6). These findings met with considerable concern. Although the number of laboratory-confirmed cases is limited (34 as of 12 May 2013), the morbidity and mortality of the infection is alarming, as is its uncanny resemblance—at least in its clinical features—to severe acute respiratory syndrome (SARS). While in a small minority of the known cases the patients developed mild disease, most patients presented with a severe acute respiratory condition requiring hospitalization; the mortality rate is approximately 60% (7).

A novel coronavirus is the causative agent of the current epidemic of severe acute respiratory syndrome (SARS). Coronaviruses are exceptionally large RNA viruses and employ complex regulatory mechanisms to express their genomes. Here, we determined the sequence of SARS coronavirus (SARS-CoV), isolate Frankfurt 1, and characterized key RNA elements and protein functions involved in viral genome expression. Important regulatory mechanisms, such as the (discontinuous) synthesis of eight subgenomic mRNAs, ribosomal frameshifting and post-translational proteolytic processing, were addressed. Activities of three SARS coronavirus enzymes, the helicase and two cysteine proteinases, which are known to be critically involved in replication, transcription and/or post-translational polyprotein processing, were characterized. The availability of recombinant forms of key replicative enzymes of SARS coronavirus should pave the way for high-throughput screening approaches to identify candidate inhibitors in compound libraries.

The 5' cap structures of higher eukaryote mRNAs have ribose 2'-O-methylation. Likewise, many viruses that replicate in the cytoplasm of eukaryotes have evolved 2'-O-methyltransferases to autonomously modify their mRNAs. However, a defined biological role for 2'-O-methylation of mRNA remains elusive. Here we show that 2'-O-methylation of viral mRNA was critically involved in subverting the induction of type I interferon. We demonstrate that human and mouse coronavirus mutants lacking 2'-O-methyltransferase activity induced higher expression of type I interferon and were highly sensitive to type I interferon. Notably, the induction of type I interferon by viruses deficient in 2'-O-methyltransferase was dependent on the cytoplasmic RNA sensor Mda5. This link between Mda5-mediated sensing of viral RNA and 2'-O-methylation of mRNA suggests that RNA modifications such as 2'-O-methylation provide a molecular signature for the discrimination of self and non-self mRNA.

The genus Coronavirus contains about 25 species of coronaviruses (CoVs), which are important pathogens causing highly prevalent diseases and often severe or fatal in humans and animals. No licensed specific drugs are available to prevent their infection. Different host receptors for cellular entry, poorly conserved structural proteins (antigens), and the high mutation and recombination rates of CoVs pose a significant problem in the development of wide-spectrum anti-CoV drugs and vaccines. CoV main proteases (M(pro)s), which are key enzymes in viral gene expression and replication, were revealed to share a highly conservative substrate-recognition pocket by comparison of four crystal structures and a homology model representing all three genetic clusters of the genus Coronavirus. This conclusion was further supported by enzyme activity assays. Mechanism-based irreversible inhibitors were designed, based on this conserved structural region, and a uniform inhibition mechanism was elucidated from the structures of Mpro-inhibitor complexes from severe acute respiratory syndrome-CoV and porcine transmissible gastroenteritis virus. A structure-assisted optimization program has yielded compounds with fast in vitro inactivation of multiple CoV M(pro)s, potent antiviral activity, and extremely low cellular toxicity in cell-based assays. Further modification could rapidly lead to the discovery of a single agent with clinical potential against existing and possible future emerging CoV-related diseases.

Replication of the giant RNA genome of severe acute respiratory syndrome (SARS) coronavirus (CoV) and synthesis of as many as eight subgenomic (sg) mRNAs are mediated by a viral replicase-transcriptase of outstanding complexity that includes an essential endoribonuclease activity. Here, we show that the CoV replicative machinery, unlike that of other RNA viruses, also uses an exoribonuclease (ExoN) activity, which is associated with nonstructural protein (nsp) 14. Bacterially expressed forms of SARS-CoV nsp14 were shown to act on both ssRNAs and dsRNAs in a 3′→5′ direction. The activity depended on residues that are conserved in the DEDD exonuclease superfamily. The protein did not hydrolyze DNA or ribose-2′- O -methylated RNA substrates and required divalent metal ions for activity. A range of 5′-labeled ssRNA substrates were processed to final products of ≈8–12 nucleotides. When part of dsRNA or in the presence of nonlabeled dsRNA, the 5′-labeled RNA substrates were processed to significantly smaller products, indicating that binding to dsRNA in cis or trans modulates the exonucleolytic activity of nsp14. Characterization of human CoV 229E ExoN active-site mutants revealed severe defects in viral RNA synthesis, and no viable virus could be recovered. Besides strongly reduced genome replication, specific defects in sg RNA synthesis, such as aberrant sizes of specific sg RNAs and changes in the molar ratios between individual sg RNA species, were observed. Taken together, the study identifies an RNA virus ExoN activity that is involved in the synthesis of multiple RNAs from the exceptionally large genomic RNA templates of CoVs.

The emergence and global spread of SARS-CoV-2 has resulted in the urgent need for an in-depth understanding of molecular functions of viral proteins and their interactions with the host proteome. Several individual omics studies have extended our knowledge of COVID-19 pathophysiology1–10. Integration of such datasets to obtain a holistic view of virus–host interactions and to define the pathogenic properties of SARS-CoV-2 is limited by the heterogeneity of the experimental systems. Here we report a concurrent multi-omics study of SARS-CoV-2 and SARS-CoV. Using state-of-the-art proteomics, we profiled the interactomes of both viruses, as well as their influence on the transcriptome, proteome, ubiquitinome and phosphoproteome of a lung-derived human cell line. Projecting these data onto the global network of cellular interactions revealed crosstalk between the perturbations taking place upon infection with SARS-CoV-2 and SARS-CoV at different levels and enabled identification of distinct and common molecular mechanisms of these closely related coronaviruses. The TGF-β pathway, known for its involvement in tissue fibrosis, was specifically dysregulated by SARS-CoV-2 ORF8 and autophagy was specifically dysregulated by SARS-CoV-2 ORF3. The extensive dataset (available at https://covinet.innatelab.org ) highlights many hotspots that could be targeted by existing drugs and may be used to guide rational design of virus- and host-directed therapies, which we exemplify by identifying inhibitors of kinases and matrix metalloproteases with potent antiviral effects against SARS-CoV-2. Multi-omics profiling of effects of SARS-CoV-2 and SARS-CoV on A549, a lung-derived human cell line, produces a dataset enabling identification of common and virus-specific mechanisms of infection.

Abstract Fast and reliable detection of patients with severe and heterogeneous illnesses is a major goal of precision medicine 1,2 . Patients with leukaemia can be identified using machine learning on the basis of their blood transcriptomes 3 . However, there is an increasing divide between what is technically possible and what is allowed, because of privacy legislation 4,5 . Here, to facilitate the integration of any medical data from any data owner worldwide without violating privacy laws, we introduce Swarm Learning—a decentralized machine-learning approach that unites edge computing, blockchain-based peer-to-peer networking and coordination while maintaining confidentiality without the need for a central coordinator, thereby going beyond federated learning. To illustrate the feasibility of using Swarm Learning to develop disease classifiers using distributed data, we chose four use cases of heterogeneous diseases (COVID-19, tuberculosis, leukaemia and lung pathologies). With more than 16,400 blood transcriptomes derived from 127 clinical studies with non-uniform distributions of cases and controls and substantial study biases, as well as more than 95,000 chest X-ray images, we show that Swarm Learning classifiers outperform those developed at individual sites. In addition, Swarm Learning completely fulfils local confidentiality regulations by design. We believe that this approach will notably accelerate the introduction of precision medicine.

ABSTRACT Severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV), a newly identified group 2 coronavirus, is the causative agent of severe acute respiratory syndrome, a life-threatening form of pneumonia in humans. Coronavirus replication and transcription are highly specialized processes of cytoplasmic RNA synthesis that localize to virus-induced membrane structures and were recently proposed to involve a complex enzymatic machinery that, besides RNA-dependent RNA polymerase, helicase, and protease activities, also involves a series of RNA-processing enzymes that are not found in most other RNA virus families. Here, we characterized the enzymatic activities of a recombinant form of the SARS-CoV helicase (nonstructural protein [nsp] 13), a superfamily 1 helicase with an N-terminal zinc-binding domain. We report that nsp13 has both RNA and DNA duplex-unwinding activities. SARS-CoV nsp13 unwinds its substrates in a 5′-to-3′ direction and features a remarkable processivity, allowing efficient strand separation of extended regions of double-stranded RNA and DNA. Characterization of the nsp13-associated (deoxy)nucleoside triphosphatase ([dNTPase) activities revealed that all natural nucleotides and deoxynucleotides are substrates of nsp13, with ATP, dATP, and GTP being hydrolyzed slightly more efficiently than other nucleotides. Furthermore, we established an RNA 5′-triphosphatase activity for the SARS-CoV nsp13 helicase which may be involved in the formation of the 5′ cap structure of viral RNAs. The data suggest that the (d)NTPase and RNA 5′-triphosphatase activities of nsp13 have a common active site. Finally, we established that, in SARS-CoV-infected Vero E6 cells, nsp13 localizes to membranes that appear to be derived from the endoplasmic reticulum and are the likely site of SARS-CoV RNA synthesis.