Spike (S) proteins of coronaviruses, including the coronavirus that causes severe acute respiratory syndrome (SARS), associate with cellular receptors to mediate infection of their target cells. Here we identify a metallopeptidase, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), isolated from SARS coronavirus (SARS-CoV)-permissive Vero E6 cells, that efficiently binds the S1 domain of the SARS-CoV S protein. We found that a soluble form of ACE2, but not of the related enzyme ACE1, blocked association of the S1 domain with Vero E6 cells. 293T cells transfected with ACE2, but not those transfected with human immunodeficiency virus-1 receptors, formed multinucleated syncytia with cells expressing S protein. Furthermore, SARS-CoV replicated efficiently on ACE2-transfected but not mock-transfected 293T cells. Finally, anti-ACE2 but not anti-ACE1 antibody blocked viral replication on Vero E6 cells. Together our data indicate that ACE2 is a functional receptor for SARS-CoV.

There is pressing urgency to understand the pathogenesis of the severe acute respiratory syndrome coronavirus clade 2 (SARS-CoV-2), which causes the disease COVID-19. SARS-CoV-2 spike (S) protein binds angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), and in concert with host proteases, principally transmembrane serine protease 2 (TMPRSS2), promotes cellular entry. The cell subsets targeted by SARS-CoV-2 in host tissues and the factors that regulate ACE2 expression remain unknown. Here, we leverage human, non-human primate, and mouse single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) datasets across health and disease to uncover putative targets of SARS-CoV-2 among tissue-resident cell subsets. We identify ACE2 and TMPRSS2 co-expressing cells within lung type II pneumocytes, ileal absorptive enterocytes, and nasal goblet secretory cells. Strikingly, we discovered that ACE2 is a human interferon-stimulated gene (ISG) in vitro using airway epithelial cells and extend our findings to in vivo viral infections. Our data suggest that SARS-CoV-2 could exploit species-specific interferon-driven upregulation of ACE2, a tissue-protective mediator during lung injury, to enhance infection.

The spike protein (S) of SARS coronavirus (SARS-CoV) attaches the virus to its cellular receptor, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). A defined receptor-binding domain (RBD) on S mediates this interaction. The crystal structure at 2.9 angstrom resolution of the RBD bound with the peptidase domain of human ACE2 shows that the RBD presents a gently concave surface, which cradles the N-terminal lobe of the peptidase. The atomic details at the interface between the two proteins clarify the importance of residue changes that facilitate efficient cross-species infection and human-to-human transmission. The structure of the RBD suggests ways to make truncated disulfide-stabilized RBD variants for use in the design of coronavirus vaccines.

Influenza viruses exploit host cell machinery to replicate, resulting in epidemics of respiratory illness. In turn, the host expresses antiviral restriction factors to defend against infection. To find host cell modifiers of influenza A H1N1 viral infection, we used a functional genomic screen and identified over 120 influenza A virus-dependency factors with roles in endosomal acidification, vesicular trafficking, mitochondrial metabolism, and RNA splicing. We discovered that the interferon-inducible transmembrane proteins IFITM1, 2, and 3 restrict an early step in influenza A viral replication. The IFITM proteins confer basal resistance to influenza A virus but are also inducible by interferons type I and II and are critical for interferon's virustatic actions. Further characterization revealed that the IFITM proteins inhibit the early replication of flaviviruses, including dengue virus and West Nile virus. Collectively this work identifies a family of antiviral restriction factors that mediate cellular innate immunity to at least three major human pathogens.

Human angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) is a functional receptor for SARS coronavirus (SARS-CoV). Here we identify the SARS-CoV spike (S)-protein-binding site on ACE2. We also compare S proteins of SARS-CoV isolated during the 2002-2003 SARS outbreak and during the much less severe 2003-2004 outbreak, and from palm civets, a possible source of SARS-CoV found in humans. All three S proteins bound to and utilized palm-civet ACE2 efficiently, but the latter two S proteins utilized human ACE2 markedly less efficiently than did the S protein obtained during the earlier human outbreak. The lower affinity of these S proteins could be complemented by altering specific residues within the S-protein-binding site of human ACE2 to those of civet ACE2, or by altering S-protein residues 479 and 487 to residues conserved during the 2002-2003 outbreak. Collectively, these data describe molecular interactions important to the adaptation of SARS-CoV to human cells, and provide insight into the severity of the 2002-2003 SARS epidemic.

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.

ABSTRACT Studies of patients with severe acute respiratory syndrome (SARS) demonstrate that the respiratory tract is a major site of SARS-coronavirus (CoV) infection and disease morbidity. We studied host-pathogen interactions using native lung tissue and a model of well-differentiated cultures of primary human airway epithelia. Angiotensin converting enzyme 2 (ACE2), the receptor for both the SARS-CoV and the related human respiratory coronavirus NL63, was expressed in human airway epithelia as well as lung parenchyma. As assessed by immunofluorescence staining and membrane biotinylation, ACE2 protein was more abundantly expressed on the apical than the basolateral surface of polarized airway epithelia. Interestingly, ACE2 expression positively correlated with the differentiation state of epithelia. Undifferentiated cells expressing little ACE2 were poorly infected with SARS-CoV, while well-differentiated cells expressing more ACE2 were readily infected. Expression of ACE2 in poorly differentiated epithelia facilitated SARS spike (S) protein-pseudotyped virus entry. Consistent with the expression pattern of ACE2, the entry of SARS-CoV or a lentivirus pseudotyped with SARS-CoV S protein in differentiated epithelia was more efficient when applied to the apical surface. Furthermore, SARS-CoV replicated in polarized epithelia and preferentially exited via the apical surface. The results indicate that infection of human airway epithelia by SARS coronavirus correlates with the state of cell differentiation and ACE2 expression and localization. These findings have implications for understanding disease pathogenesis associated with SARS-CoV and NL63 infections.