Monitoring the spread of SARS-CoV-2 and reconstructing transmission chains has become a major public health focus for many governments around the world. The modest mutation rate and rapid transmission of SARS-CoV-2 prevents the reconstruction of transmission chains from consensus genome sequences, but within-host genetic diversity could theoretically help identify close contacts. Here we describe the patterns of within-host diversity in 1,181 SARS-CoV-2 samples sequenced to high depth in duplicate. 95% of samples show within-host mutations at detectable allele frequencies. Analyses of the mutational spectra revealed strong strand asymmetries suggestive of damage or RNA editing of the plus strand, rather than replication errors, dominating the accumulation of mutations during the SARS-CoV-2 pandemic. Within and between host diversity show strong purifying selection, particularly against nonsense mutations. Recurrent within-host mutations, many of which coincide with known phylogenetic homoplasies, display a spectrum and patterns of purifying selection more suggestive of mutational hotspots than recombination or convergent evolution. While allele frequencies suggest that most samples result from infection by a single lineage, we identify multiple putative examples of co-infection. Integrating these results into an epidemiological inference framework, we find that while sharing of within-host variants between samples could help the reconstruction of transmission chains, mutational hotspots and rare cases of superinfection can confound these analyses.

Abstract The first SARS-CoV-2 variant of concern (VOC) to be designated was lineage B.1.1.7, later labelled by the World Health Organisation (WHO) as Alpha. Originating in early Autumn but discovered in December 2020, it spread rapidly and caused large waves of infections worldwide. The Alpha variant is notable for being defined by a long ancestral phylogenetic branch with an increased evolutionary rate, along which only two sequences have been sampled. Alpha genomes comprise a well-supported monophyletic clade within which the evolutionary rate is more typical of SARS-CoV-2. The Alpha epidemic continued to grow despite the continued restrictions on social mixing across the UK, and the imposition of new restrictions, in particular the English national lockdown in November 2020. While these interventions succeeded in reducing the absolute number of cases, the impact of these non-pharmaceutical interventions was predominantly to drive the decline of the SARS-CoV-2 lineages which preceded Alpha. We investigate the only two sampled sequences that fall on the branch ancestral to Alpha. We find that one is likely to be a true intermediate sequence, providing information about the order of mutational events that led to Alpha. We explore alternate hypotheses that can explain how Alpha acquired a large number of mutations yet remained largely unobserved in a region of high genomic surveillance: an under-sampled geographical location, a non-human animal population, or a chronically-infected individual. We conclude that the last hypothesis provides the best explanation of the observed behaviour and dynamics of the variant, although we find that the individual need not be immunocompromised, as persistently-infected immunocompetent hosts also display a higher within-host rate of evolution. Finally, we compare the ancestral branches and mutation profiles of other VOCs to each other, and identify that Delta appears to be an outlier both in terms of the genomic locations of its defining mutations, and its lack of rapid evolutionary rate on the ancestral branch. As new variants, such as Omicron, continue to evolve (potentially through similar mechanisms) it remains important to investigate the origins of other variants to identify ways to potentially disrupt their evolution and emergence.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infects cells by binding to the host cell receptor Ace2 and undergoing virus-host membrane fusion. Fusion is triggered by the protease TMPRSS2, which processes the viral Spike (S) protein to reveal the fusion peptide. SARS-CoV-2 has evolved a multibasic site at the S1-S2 boundary, which is thought to be cleaved by furin in order to prime S protein for TMPRSS2 processing. Here we show that CRISPR-Cas9 knockout of furin reduces, but does not prevent, the production of infectious SARS-CoV-2 virus. Comparing S processing in furin knockout cells to multibasic site mutants reveals that while loss of furin substantially reduces S1-S2 cleavage it does not prevent it. SARS-CoV-2 S protein also mediates cell-cell fusion, potentially allowing virus to spread virion-independently. We show that loss of furin in either donor or acceptor cells reduces, but does not prevent, TMPRSS2-dependent cell-cell fusion, unlike mutation of the multibasic site that completely prevents syncytia formation. Our results show that while furin promotes both SARS-CoV-2 infectivity and cell-cell spread it is not essential, suggesting furin inhibitors will not prevent viral spread.

Abstract The spike (S) protein of SARS-CoV-2 mediates receptor binding and cell entry and is the dominant target of the immune system. S exhibits substantial conformational flexibility. It transitions from closed to open conformations to expose its receptor binding site, and subsequently from prefusion to postfusion conformations to mediate fusion of viral and cellular membranes. S protein derivatives are components of vaccine candidates and diagnostic assays, as well as tools for research into the biology and immunology of SARS-CoV-2. Here we have designed mutations in S which allow production of thermostable, crosslinked, S protein trimers that are trapped in the closed, pre-fusion, state. We have determined the structures of crosslinked and non-crosslinked proteins, identifying two distinct closed conformations of the S trimer. We demonstrate that the designed, thermostable, closed S trimer can be used in serological assays. This protein has potential applications as a reagent for serology, virology and as an immunogen.

Abstract Expanding the arsenal of prophylactic approaches against SARS-CoV-2 is of utmost importance, specifically those strategies that are resistant to antigenic drift in Spike. Here, we conducted a screen with over 16,000 RNAi triggers against the SARS-CoV-2 genome using a massively parallel assay to identify hyper-potent siRNAs. We selected 10 candidates for in vitro validation and found five siRNAs that exhibited hyper-potent activity with IC50<20pM and strong neutralisation in live virus experiments. We further enhanced the activity by combinatorial pairing of the siRNA candidates to develop siRNA cocktails and found that these cocktails are active against multiple types of variants of concern (VOC). We examined over 2,000 possible mutations to the siRNA target sites using saturation mutagenesis and identified broad protection against future variants. Finally, we demonstrated that intranasal administration of the siRNA cocktail effectively attenuates clinical signs and viral measures of disease in the Syrian hamster model. Our results pave the way to development of an additional layer of antiviral prophylaxis that is orthogonal to vaccines and monoclonal antibodies.

Abstract Zika virus (ZIKV) is an emerging mosquito-borne flavivirus recently associated with congenital diseases and neurological complications. As for all flaviviruses, the ZIKV RNA genome is expected to encode a single polyprotein with all the enzymatic activities required for viral replication. Here, we report the discovery of multiple non-canonical open reading frames (ORFs) identified by ribosome profiling. In both mammalian and insect cells infected with Asian/American and African ZIKV strains, we observed translation of previously unrecognised upstream ORFs (uORFs) in the 5′ region. In the Asian/American ZIKV lineage, ribosomes translated uORF1 and uORF2 that initiated from non-AUG start codons, whereas in the African ZIKV lineage, these two uORFs were fused into a single uORF (African uORF). Using a reverse genetics system, we examined the impact on ZIKV fitness of the expression of single or dual uORFs by analysing a panel of mutant viruses. We found that expression of the African uORF, and more significantly, the Asian/American uORF1, modulated virus growth and tropism in human cortical neurons and 3D organoid tissue, indicating that these novel uORFs contribute to ZIKV neurotropism. Although ZIKV uORFs are expressed in mosquito cells, they did not have a detectable effect on transmission by the mosquito vector in vivo . Our discovery of ZIKV uORFs sheds new light on ZIKV-induced neuropathogenesis and raises the question of their existence in other neurotropic flaviviruses.

Abstract From 2011-2018, we conducted surveillance in marine mammals along the California coast for influenza A virus (IAV), frequently detecting anti-influenza antibodies and intermittently detecting IAV. In spring 2019, this pattern changed. Despite no change in surveillance intensity, we detected IAV RNA in 10 samples in March and April, mostly in nasal and rectal swabs from northern elephant seals ( Mirounga angustirostris ). Although virus isolation was unsuccessful, IAV sequenced from one northern elephant seal nasal swab showed close genetic identity with pandemic H1N1 IAV subclade 6B.1A.1 that was concurrently circulating in humans in the 2018/19 influenza season. This represents the first report of human A(H1N1)pdm09 IAV in northern elephant seals since 2010, suggesting IAV continues to spill over from humans to pinnipeds.

Background: Norovirus, also known as the winter vomiting bug, is the predominant cause of non-bacterial gastroenteritis worldwide. Disease control is predicated on a robust innate immune response during the early stages of infection. Double-stranded RNA intermediates generated during viral genome replication are recognised by host innate immune sensors in the cytoplasm, activating the strongly antiviral interferon gene programme. Ifit proteins, which are highly expressed during the interferon response, have been shown to directly inhibit viral protein synthesis as well as regulate innate immune signalling pathways. Ifit1 is well-characterised to inhibit viral translation by sequestration of eukaryotic initiation factors or by directly binding to the 5' terminus of foreign RNA, particularly those with non-self cap structures. However, noroviruses have a viral protein, VPg, covalently linked to the 5' end of the genomic RNA, which acts as a cap substitute to recruit the translation initiation machinery. Methods: Ifit1 knockout RAW264.7 murine macrophage-like cells were generated using CRISPR-Cas9 gene editing. These cells were analysed for their ability to support murine norovirus infection, determined by virus yield, and respond to different immune stimuli, assayed by quantitative PCR. The effect of Ifit proteins on norovirus translation was also tested in vitro. Results: Here, we show that VPg-dependent translation is completely refractory Ifit1-mediated translation inhibition in vitro and Ifit1 cannot bind the 5' end of VPg-linked RNA. Nevertheless, knockout of Ifit1 promoted viral replication in murine norovirus infected cells. We then demonstrate that Ifit1 promoted interferon-beta expression following transfection of synthetic double-stranded RNA, but had little effect on toll-like receptor 3 and 4 signalling. Conclusions: Ifit1 is an antiviral factor during norovirus infection but cannot directly inhibit viral translation. Instead, Ifit1 stimulates the antiviral state following cytoplasmic RNA sensing, contributing to restriction of norovirus replication.

Norovirus infections are a major cause of acute viral gastroenteritis and a significant burden to human health globally. A vital process for norovirus replication is the processing of the nonstructural polyprotein, by an internal protease, into the necessary viral components required to form the viral replication complex. This cleavage occurs at different rates resulting in the accumulation of stable precursor forms. In this report, we characterized how precursor forms of the norovirus protease accumulate during infection. Using stable forms of the protease precursors we demonstrated that these are all proteolytically active in vitro, but that when expressed in cells, activity is determined by both substrate and protease localization. Whilst all precursors could cleave a replication complex-associated substrate, only a subset of precursors lacking NS4 were capable of efficiently cleaving a cytoplasmic substrate. For the first time, the full range of protein-protein interactions between murine and human norovirus proteins were mapped by LUMIER assay, with conserved interactions between replication complex members, modifying the localization of a subset of precursors. Finally, we demonstrate that re-targeting of a poorly cleaved artificial cytoplasmic substrate to the replication complex is sufficient to permit efficient cleavage in the context of norovirus infection. This offers a model for how norovirus can regulate the timing of substrate cleavage throughout the replication cycle. The norovirus protease represents a key target in the search for effective antiviral treatments for norovirus infection. An improved understanding of protease function and regulation, as well as identification of interactions between the other non-structural proteins, offers new avenues for antiviral drug design.

Knowledge of the host factors required for norovirus replication has been hindered by the challenges associated with culturing human noroviruses. We have combined proteomic analysis of the viral translation and replication complexes with a CRISPR screen, to identify host factors required for norovirus infection. The core stress granule component G3BP1 was identified as a host factor essential for efficient human and murine norovirus infection, demonstrating a conserved function across the Norovirus genus. Furthermore, we show that G3BP1 functions in the novel paradigm of viral VPg-dependent translation initiation, contributing to the assembly of translation complexes on the VPg-linked viral positive sense RNA genome by facilitating 40S recruitment. Our data suggest that G3BP1 functions by providing viral RNA a competitive advantage over capped cellular RNAs, uncovering a novel function for G3BP1 in the life cycle of positive sense RNA viruses and identifying the first host factor with pan-norovirus pro-viral activity.