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.

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.

ABSTRACT The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 responsible for COVID-19 remains a persistent threat to mankind, especially for the immunocompromised and elderly for which the vaccine may have limited effectiveness. Entry of SARS-CoV-2 requires a high affinity interaction of the viral spike protein with the cellular receptor angiotensin-converting enzyme 2. Novel mutations on the spike protein correlate with the high transmissibility of new variants of SARS-CoV-2, highlighting the need for small molecule inhibitors of virus entry into target cells. We report the identification of such inhibitors through a robust high-throughput screen testing 15,000 small molecules from unique libraries. Several leads were validated in a suite of mechanistic assays, including whole cell SARS-CoV-2 infectivity assays. The main lead compound, Calpeptin, was further characterized using SARS-CoV-1 and the novel SARS-CoV-2 variant entry assays, SARS-CoV-2 protease assays and molecular docking. This study reveals Calpeptin as a potent and specific inhibitor of SARS-CoV-2 and some variants.

Abstract HIV-1 vaccine immunofocusing strategies have the potential to induce broadly reactive nAbs. Here, we engineered a panel of diverse, membrane-resident native HIV-1 trimers vulnerable to two broad targets of neutralizing antibodies (NAbs), the V2 apex and fusion peptide (FP). Selection criteria included i) high expression and ii) infectious function, so that trimer neutralization sensitivity can be profiled in pseudovirus assays. Initially, we boosted the expression of 17 candidate trimers by truncating gp41 and introducing a gp120-gp41 SOS disulfide to prevent gp120 shedding. “Repairs” were made to fill glycan holes and other strain-specific aberrations. A new neutralization assay allowed PV infection when our standard assay was insufficient. Trimers with exposed V3 loops, a target of non-neutralizing antibodies, were discarded. To try to increase V2-sensitivity, we removed clashing glycans and modified the V2 loop’s C-strand. Notably, a 167N mutation improved V2-sensitivity. Glycopeptide analysis of JR-FL trimers revealed near complete sequon occupation and that filling the N197 glycan hole was well-tolerated. In contrast, sequon optimization and inserting/removing other glycans in some cases had local and global “ripple” effects on glycan maturation and sequon occupation in the gp120 outer domain and gp41. V2 mAb CH01 selectively bound trimers with small high mannose glycans near the base of the V1 loop, thereby avoiding clashes. Knocking in a N49 glycan perturbs gp41 glycans via a distal glycan network effect, increasing FP NAb sensitivity - and sometimes improving expression. Finally, a biophysical analysis of VLPs revealed that i) ∼25% of particles bear Env spikes, ii) spontaneous particle budding is high and only increases 4-fold upon Gag transfection, and iii) Env+ particles express ∼30-40 spikes. Overall, we identified 7 diverse trimers with a range of sensitivities to two targets that should enable rigorous testing of immunofocusing vaccine concepts. Author Summary Despite almost 40 years of innovation, an HIV vaccine to induce antibodies that block virus infection remains elusive. Challenges include the unparalleled sequence diversity of HIV’s surface spikes and its dense sugar coat that limits antibody access. However, a growing number of monoclonal antibodies from HIV infected donors provide vaccine blueprints. To date, these kinds of antibodies have been difficult to induce by vaccination. However, two antibody targets, one at the spike apex and another at the side of the spikes are more forgiving in their ‘demands’ for unusual antibodies. Here, we made a diverse panel of HIV spikes vulnerable at these two sites for later use as vaccines to try to focus antibodies on these targets. Our selection criteria for these spikes were: i) that the spikes, when expressed on particles, are infectious, allowing us to appraise our vaccine designs in an ideal manner; ii) that spikes are easy to produce by cells in quantities sufficient for vaccine use. Ultimately, we selected 7 trimers that will allow us to explore concepts that could bring us closer to an HIV vaccine.

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

SARS coronavirus 2 (SARS-CoV-2) isolates encoding a D614G mutation in the viral spike (S) protein predominate over time in locales where it is found, implying that this change enhances viral transmission. We therefore compared the functional properties of the S proteins with aspartic acid (S ) and glycine (S ) at residue 614. We observed that retroviruses pseudotyped with S infected ACE2-expressing cells markedly more efficiently than those with S . This greater infectivity was correlated with less S1 shedding and greater incorporation of the S protein into the pseudovirion. Similar results were obtained using the virus-like particles produced with SARS-CoV-2 M, N, E, and S proteins. However, S did not bind ACE2 more efficiently than S , and the pseudoviruses containing these S proteins were neutralized with comparable efficiencies by convalescent plasma. These results show S is more stable than S , consistent with epidemiological data suggesting that viruses with S transmit more efficiently.

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.