SARS-CoV-2 variants with spike (S)-protein D614G mutations now predominate globally. We therefore compare the properties of the mutated S protein (SG614) with the original (SD614). We report here pseudoviruses carrying SG614 enter ACE2-expressing cells more efficiently than those with SD614. This increased entry correlates with less S1-domain shedding and higher S-protein incorporation into the virion. Similar results are obtained with virus-like particles produced with SARS-CoV-2 M, N, E, and S proteins. However, D614G does not alter S-protein binding to ACE2 or neutralization sensitivity of pseudoviruses. Thus, D614G may increase infectivity by assembling more functional S protein into the virion.

SARS-CoV-2 infection has emerged as a serious global pandemic. Because of the high transmissibility of the virus and the high rate of morbidity and mortality associated with COVID-19, developing effective and safe vaccines is a top research priority. Here, we provide a detailed evaluation of the immunogenicity of lipid nanoparticle-encapsulated, nucleoside-modified mRNA (mRNA-LNP) vaccines encoding the full-length SARS-CoV-2 spike protein or the spike receptor binding domain in mice. We demonstrate that a single dose of these vaccines induces strong type 1 CD4+ and CD8+ T cell responses, as well as long-lived plasma and memory B cell responses. Additionally, we detect robust and sustained neutralizing antibody responses and the antibodies elicited by nucleoside-modified mRNA vaccines do not show antibody-dependent enhancement of infection in vitro. Our findings suggest that the nucleoside-modified mRNA-LNP vaccine platform can induce robust immune responses and is a promising candidate to combat COVID-19.

Hydroxychloroquine, used to treat malaria and some autoimmune disorders, potently inhibits viral infection of SARS coronavirus (SARS-CoV-1) and SARS-CoV-2 in cell-culture studies. However, human clinical trials of hydroxychloroquine failed to establish its usefulness as treatment for COVID-19. This compound is known to interfere with endosomal acidification necessary to the proteolytic activity of cathepsins. Following receptor binding and endocytosis, cathepsin L can cleave the SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2 spike (S) proteins, thereby activating membrane fusion for cell entry. The plasma membrane-associated protease TMPRSS2 can similarly cleave these S proteins and activate viral entry at the cell surface. Here we show that the SARS-CoV-2 entry process is more dependent than that of SARS-CoV-1 on TMPRSS2 expression. This difference can be reversed when the furin-cleavage site of the SARS-CoV-2 S protein is ablated or when it is introduced into the SARS-CoV-1 S protein. We also show that hydroxychloroquine efficiently blocks viral entry mediated by cathepsin L, but not by TMPRSS2, and that a combination of hydroxychloroquine and a clinically-tested TMPRSS2 inhibitor prevents SARS-CoV-2 infection more potently than either drug alone. These studies identify functional differences between SARS-CoV-1 and -2 entry processes, and provide a mechanistic explanation for the limited in vivo utility of hydroxychloroquine as a treatment for COVID-19.

The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike (S) protein mediates infection of cells expressing angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). ACE2 is also the viral receptor of SARS-CoV (SARS-CoV-1), a related coronavirus that emerged in 2002-2003. Horseshoe bats (genus Rhinolophus ) are presumed to be the original reservoir of both viruses, and a SARS-like coronavirus, RaTG13, closely related SARS-CoV-2, has been isolated from one horseshoe-bat species. Here we characterize the ability of S-protein receptor-binding domains (RBDs) of SARS-CoV-1, SARS-CoV-2, and RaTG13 to bind a range of ACE2 orthologs. We observed that the SARS-CoV-2 RBD bound human, pangolin, and horseshoe bat ( R. macrotis) ACE2 more efficiently than the SARS-CoV-1 or RaTG13 RBD. Only the RaTG13 RBD bound rodent ACE2 orthologs efficiently. Five mutations drawn from ACE2 orthologs of nine Rhinolophus species enhanced human ACE2 binding to the SARS-CoV-2 RBD and neutralization of SARS-CoV-2 by an immunoadhesin form of human ACE2 (ACE2-Fc). Two of these mutations impaired neutralization of SARS-CoV-1. An ACE2-Fc variant bearing all five mutations neutralized SARS-CoV-2 five-fold more efficiently than human ACE2-Fc. These data narrow the potential SARS-CoV-2 reservoir, suggest that SARS-CoV-1 and -2 originate from distinct bat species, and identify a more potently neutralizing form of ACE2-Fc.

Abstract Hydroxychloroquine, used to treat malaria and some autoimmune disorders, potently inhibits viral infection of SARS coronavirus (SARS-CoV-1) and SARS-CoV-2 in cell-culture studies. However, human clinical trials of hydroxychloroquine failed to establish its usefulness as treatment for COVID-19. This compound is known to interfere with endosomal acidification necessary to the proteolytic activity of cathepsins. Following receptor binding and endocytosis, cathepsin L can cleave the SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2 spike (S) proteins, thereby activating membrane fusion for cell entry. The plasma membrane-associated protease TMPRSS2 can similarly cleave these S proteins and activate viral entry at the cell surface. Here we show that the SARS-CoV-2 entry process is more dependent than that of SARS-CoV-1 on TMPRSS2 expression. This difference can be reversed when the furin-cleavage site of the SARS-CoV-2 S protein is ablated. We also show that hydroxychloroquine efficiently blocks viral entry mediated by cathepsin L, but not by TMPRSS2, and that a combination of hydroxychloroquine and a clinically-tested TMPRSS2 inhibitor prevents SARS-CoV-2 infection more potently than either drug alone. These studies identify functional differences between SARS-CoV-1 and -2 entry processes, and provide a mechanistic explanation for the limited in vivo utility of hydroxychloroquine as a treatment for COVID-19. Author Summary The novel pathogenic coronavirus SARS-CoV-2 causes COVID-19 and remains a threat to global public health. Chloroquine and hydroxychloroquine have been shown to prevent viral infection in cell-culture systems, but human clinical trials did not observe a significant improvement in COVID-19 patients treated with these compounds. Here we show that hydroxychloroquine interferes with only one of two somewhat redundant pathways by which the SARS-CoV-2 spike (S) protein is activated to mediate infection. The first pathway is dependent on the endosomal protease cathepsin L and sensitive to hydroxychloroquine, whereas the second pathway is dependent on TMPRSS2, which is unaffected by this compound. We further show that SARS-CoV-2 is more reliant than SARS coronavirus (SARS-CoV-1) on the TMPRSS2 pathway, and that this difference is due to a furin cleavage site present in the SARS-CoV-2 S protein. Finally, we show that combinations of hydroxychloroquine and a clinically tested TMPRSS2 inhibitor work together to effectively inhibit SARS-CoV-2 entry. Thus TMPRSS2 expression on physiologically relevant SARS-CoV-2 target cells may bypass the antiviral activities of hydroxychloroquine, and explain its lack of in vivo efficacy.

The SARS-coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike (S) protein mediates viral entry into cells expressing the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). The S protein engages ACE2 through its receptor-binding domain (RBD), an independently folded 197-amino acid fragment of the 1273-amino acid S-protein protomer. The RBD is the primary SARS-CoV-2 neutralizing epitope and a critical target of any SARS-CoV-2 vaccine. Here we show that this RBD conjugated to each of two carrier proteins elicited more potent neutralizing responses in immunized rodents than did a similarly conjugated proline-stabilized S-protein ectodomain. Nonetheless, the native RBD expresses inefficiently, limiting its usefulness as a vaccine antigen. However, we show that an RBD engineered with four novel glycosylation sites (gRBD) expresses markedly more efficiently, and generates a more potent neutralizing responses as a DNA vaccine antigen, than the wild-type RBD or the full-length S protein, especially when fused to multivalent carriers such as an H. pylori ferritin 24-mer. Further, gRBD is more immunogenic than the wild-type RBD when administered as a subunit protein vaccine. Our data suggest that multivalent gRBD antigens can reduce costs and doses, and improve the immunogenicity, of all major classes of SARS-CoV-2 vaccines.

The SARS-coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike (S) protein mediates entry of SARS-CoV-2 into cells expressing the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). The S protein engages ACE2 through its receptor-binding domain (RBD), an independently folded 197-amino acid fragment of the 1273-amino acid S-protein protomer. Antibodies to the RBD domain of SARS-CoV (SARS-CoV-1), a closely related coronavirus which emerged in 2002-2003, have been shown to potently neutralize SARS-CoV-1 S-protein-mediated entry, and the presence of anti-RBD antibodies correlates with neutralization in SARS-CoV-2 convalescent sera. Here we show that immunization with the SARS-CoV-2 RBD elicits a robust neutralizing antibody response in rodents, comparable to 100 μg/ml of ACE2-Ig, a potent SARS-CoV-2 entry inhibitor. Importantly, anti-sera from immunized animals did not mediate antibody-dependent enhancement (ADE) of S-protein-mediated entry under conditions in which Zika virus ADE was readily observed. These data suggest that an RBD-based vaccine for SARS-CoV-2 could be safe and effective.

Emerging highly pathogenic viruses can pose profound impacts on global health, the economy, and society. To meet that challenge, the National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) established nine Antiviral Drug Discovery (AViDD) centers for early-stage identification and validation of novel antiviral drug candidates against viruses with pandemic potential. As part of this initiative, we established paired entry assays that simultaneously screen for inhibitors specifically targeting SARS-CoV-2 (SARS2), Lassa virus (LASV) and Machupo virus (MACV) entry. To do so we employed a dual pseudotyped virus (PV) infection system allowing us to screen ∼650,000 compounds efficiently and cost-effectively. Adaptation of these paired assays into 1536 well-plate format for ultra-high throughput screening (uHTS) resulted in the largest screening ever conducted in our facility, with over 2.4 million wells completed. The paired infection system allowed us to detect two PV infections simultaneously: LASV + MACV, MACV + SARS2, and SARS2 + LASV. Each PV contains a different luciferase reporter gene which enabled us to measure the infection of each PV exclusively, albeit in the same well. Each PV was screened at least twice utilizing different reporters, which allowed us to select the inhibitors specific to a particular PV and to exclude those that hit off targets, including cellular components or the reporter proteins. All assays were robust with an average Z' value ranging from 0.5 to 0.8. The primary screening of ∼650,000 compounds resulted in 1812, 1506, and 2586 unique hits for LASV, MACV, and SARS2, respectively. The confirmation screening narrowed this list further to 60, 40, and 90 compounds that are unique to LASV, MACV, and SARS2, respectively. Of these compounds, 8, 35, and 50 compounds showed IC

CRISPR-edited murine B cells engineered to express human antibody variable chains proliferate, class switch, and secrete these antibodies in vaccinated mice. However, current strategies disrupt the heavy-chain locus, resulting in inefficient somatic hypermutation without functional affinity maturation. Here we show that recombined murine heavy- and kappa-variable genes can be directly and simultaneously overwritten, using Cas12a-mediated cuts at their 39-most J segments and 59 homology arms complementary to distal V segments. Cells edited in this way to express the HIV-1 broadly neutralizing antibodies 10-1074 or VRC26.25-y robustly hypermutated and generated potent neutralizing plasma in vaccinated recipient mice. 10-1074 variants isolated from these mice bound and neutralized HIV-1 envelope glycoprotein more efficiently than wild-type 10-1074 while maintaining or improving its already low polyreactivity and long in vivo half-life. We further validated this approach by generating substantially broader and more potent variants of the anti-SARS-CoV-2 antibodies ZCB11 and S309. Thus, B cells edited at their native loci affinity mature, facilitating development of broad, potent, and bioavailable antibodies and expanding the potential applications of engineered B cells.

T-cell Immunoglobulin and Mucin (TIM)-family proteins facilitate the clearance of apoptotic cells, are involved in immune regulation, and promote infection of enveloped viruses. These processes are frequently studied in experimental animals such as mice or rhesus macaques, but functional differences among the TIM orthologs from these species have not been described. Previously, we reported that while all three human TIM proteins bind phosphatidylserine (PS), only human TIM1 (hTIM1) binds phosphatidylethanolamine (PE), and that this PE-binding ability contributes to both phagocytic clearance of apoptotic cells and virus infection. Here we show that rhesus macaque TIM1 (rhTIM1) and mouse TIM1 (mTIM1) bind PS but not PE and that their inability to bind PE makes them less efficient than hTIM1. We also show that alteration of only two residues of mTIM1 or rhTIM1 enables them to bind both PE and PS, and that these PE-binding variants are more efficient at phagocytosis and mediating viral entry. Further, we demonstrate that the mucin domain also contributes to the binding of the virions and apoptotic cells, although it does not directly bind phospholipid. Interestingly, contribution of the hTIM1 mucin domain is more pronounced in the presence of a PE-binding head domain. These results demonstrate that rhTIM1 and mTIM1 are inherently less functional than hTIM1, owing to their inability to bind PE and their less functional mucin domains. They also imply that mouse and macaque models underestimate the activity of hTIM1.