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.

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.

In search for broad-spectrum antivirals, we discovered a small molecule inhibitor, RMC-113, that potently suppresses the replication of multiple RNA viruses including SARS-CoV-2 in human lung organoids. We demonstrated selective dual inhibition of the lipid kinases PIP4K2C and PIKfyve by RMC-113 and target engagement by its clickable analog. Advanced lipidomics revealed alteration of SARS-CoV-2-induced phosphoinositide signature by RMC-113 and linked its antiviral effect with functional PIP4K2C and PIKfyve inhibition. We discovered PIP4K2C's roles in SARS-CoV-2 entry, RNA replication, and assembly/egress, validating it as a druggable antiviral target. Integrating proteomics, single-cell transcriptomics, and functional assays revealed that PIP4K2C binds SARS-CoV-2 nonstructural protein 6 and regulates virus-induced impairment of autophagic flux. Reversing this autophagic flux impairment is a mechanism of antiviral action of RMC-113. These findings reveal virus-induced autophagy regulation via PIP4K2C, an understudied kinase, and propose dual inhibition of PIP4K2C and PIKfyve as a candidate strategy to combat emerging viruses.

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.

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.