The replication of RNA viruses is associated with a higher mutation rate than is seen in organisms using DNA as their genetic material. This can produce nonviable individuals but also, it has been suggested, some useful variation that could enhance the fitness of virus populations by allowing them to adapt to changing environments encountered during infection. Until now there has been no experimental support for this suggestion, known as the ‘quasispecies’ hypothesis. But now a search for viruses that copy their genome too accurately has provided support for this idea. Poliovirus isolates carrying a ‘super accurate’ RNA polymerase are less varied and less infectious than normal viruses. These results could have implications for the development of antiviral drugs. An RNA virus population does not consist of a single genotype; rather, it is an ensemble of related sequences, termed quasispecies1,2,3,4. Quasispecies arise from rapid genomic evolution powered by the high mutation rate of RNA viral replication5,6,7,8. Although a high mutation rate is dangerous for a virus because it results in nonviable individuals, it has been hypothesized that high mutation rates create a ‘cloud’ of potentially beneficial mutations at the population level, which afford the viral quasispecies a greater probability to evolve and adapt to new environments and challenges during infection4,9,10,11. Mathematical models predict that viral quasispecies are not simply a collection of diverse mutants but a group of interactive variants, which together contribute to the characteristics of the population4,12. According to this view, viral populations, rather than individual variants, are the target of evolutionary selection4,12. Here we test this hypothesis by examining the consequences of limiting genomic diversity on viral populations. We find that poliovirus carrying a high-fidelity polymerase replicates at wild-type levels but generates less genomic diversity and is unable to adapt to adverse growth conditions. In infected animals, the reduced viral diversity leads to loss of neurotropism and an attenuated pathogenic phenotype. Notably, using chemical mutagenesis to expand quasispecies diversity of the high-fidelity virus before infection restores neurotropism and pathogenesis. Analysis of viruses isolated from brain provides direct evidence for complementation between members in the quasispecies, indicating that selection indeed occurs at the population level rather than on individual variants. Our study provides direct evidence for a fundamental prediction of the quasispecies theory and establishes a link between mutation rate, population dynamics and pathogenesis.

Highlights•Phosphoproteomics analysis of SARS-CoV-2-infected cells uncovers signaling rewiring•Infection promotes host p38 MAPK cascade activity and shutdown of mitotic kinases•Infection stimulates CK2-containing filopodial protrusions with budding virus•Kinase activity analysis identifies potent antiviral drugs and compoundsSummaryThe causative agent of the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), has infected millions and killed hundreds of thousands of people worldwide, highlighting an urgent need to develop antiviral therapies. Here we present a quantitative mass spectrometry-based phosphoproteomics survey of SARS-CoV-2 infection in Vero E6 cells, revealing dramatic rewiring of phosphorylation on host and viral proteins. SARS-CoV-2 infection promoted casein kinase II (CK2) and p38 MAPK activation, production of diverse cytokines, and shutdown of mitotic kinases, resulting in cell cycle arrest. Infection also stimulated a marked induction of CK2-containing filopodial protrusions possessing budding viral particles. Eighty-seven drugs and compounds were identified by mapping global phosphorylation profiles to dysregulated kinases and pathways. We found pharmacologic inhibition of the p38, CK2, CDK, AXL, and PIKFYVE kinases to possess antiviral efficacy, representing potential COVID-19 therapies.Graphical abstract

No therapeutics or vaccines currently exist for human coronaviruses (HCoVs). The Severe Acute Respiratory Syndrome-associated coronavirus (SARS-CoV) epidemic in 2002–2003, and the recent emergence of Middle East Respiratory Syndrome coronavirus (MERS-CoV) in April 2012, emphasize the high probability of future zoonotic HCoV emergence causing severe and lethal human disease. Additionally, the resistance of SARS-CoV to ribavirin (RBV) demonstrates the need to define new targets for inhibition of CoV replication. CoVs express a 3′-to-5′ exoribonuclease in nonstructural protein 14 (nsp14-ExoN) that is required for high-fidelity replication and is conserved across the CoV family. All genetic and biochemical data support the hypothesis that nsp14-ExoN has an RNA proofreading function. Thus, we hypothesized that ExoN is responsible for CoV resistance to RNA mutagens. We demonstrate that while wild-type (ExoN+) CoVs were resistant to RBV and 5-fluorouracil (5-FU), CoVs lacking ExoN activity (ExoN−) were up to 300-fold more sensitive. While the primary antiviral activity of RBV against CoVs was not mutagenesis, ExoN− CoVs treated with 5-FU demonstrated both enhanced sensitivity during multi-cycle replication, as well as decreased specific infectivity, consistent with 5-FU functioning as a mutagen. Comparison of full-genome next-generation sequencing of 5-FU treated SARS-CoV populations revealed a 16-fold increase in the number of mutations within the ExoN− population as compared to ExoN+. Ninety percent of these mutations represented A:G and U:C transitions, consistent with 5-FU incorporation during RNA synthesis. Together our results constitute direct evidence that CoV ExoN activity provides a critical proofreading function during virus replication. Furthermore, these studies identify ExoN as the first viral protein distinct from the RdRp that determines the sensitivity of RNA viruses to mutagens. Finally, our results show the importance of ExoN as a target for inhibition, and suggest that small-molecule inhibitors of ExoN activity could be potential pan-CoV therapeutics in combination with RBV or RNA mutagens.

Nanobodies that neutralize Monoclonal antibodies that bind to the spike protein of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) show therapeutic promise but must be produced in mammalian cells and need to be delivered intravenously. By contrast, single-domain antibodies called nanobodies can be produced in bacteria or yeast, and their stability may enable aerosol delivery. Two papers now report nanobodies that bind tightly to spike and efficiently neutralize SARS-CoV-2 in cells. Schoof et al. screened a yeast surface display of synthetic nanobodies and Xiang et al. screened anti-spike nanobodies produced by a llama. Both groups identified highly potent nanobodies that lock the spike protein in an inactive conformation. Multivalent constructs of selected nanobodies achieved even more potent neutralization. Science , this issue p. 1473 , p. 1479

Several compounds extracted from spices and herbs exhibit antiviral effects in vitro, suggesting potential pharmacological uses. Curcumin, a component of turmeric, has been used as a food additive and herbal supplement due to its potential medicinal properties. Previously, curcumin exhibited antiviral properties against several viruses, including dengue virus and hepatitis C virus, among others. Here, we describe the antiviral effect of curcumin on Zika and chikungunya viruses, two mosquito-borne outbreak viruses. Both viruses responded to treatment of cells with up to 5 μM curumin without impacting cellular viability. We observed that direct treatment of virus with curcumin reduced infectivity of virus in a dose- and time-dependent manner for these enveloped viruses, as well as vesicular stomatitis virus. In contrast, we found no change in infectivity for Coxsackievirus B3, a non-enveloped virus. Derivatives of curcumin also exhibited antiviral activity against enveloped viruses. Further examination revealed that curcumin interfered with the binding of the enveloped viruses to cells in a dose-dependent manner, though the integrity of the viral RNA was maintained. Together, these results expand the family of viruses sensitive to curcumin and provide a mechanism of action for curcumin's effect on these enveloped viruses.

Hurting the virus by targeting the host Many host proteins play a role in the life cycle of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), and some are required for viral replication and translation. There are efforts toward finding drugs that target viral proteins, but a complementary approach is to target these required host proteins. White et al. explored the antiviral activity of the cyclic depsipeptide drug plitidepsin, which targets the hosts cell's translational machinery (see the Perspective by Wong and Damania). The authors show that in cells, the drug is substantially more potent than remdesivir against SARS-CoV-2, with limited cellular toxicity. Prophylactic treatment protected mice against SARS-CoV-2 infection, so further investigation of plitidepsin as a therapeutic is warranted. Science , this issue p. 926 ; see also p. 884

The error rate of RNA-dependent RNA polymerases (RdRp) affects the mutation frequency in a population of viral RNAs. Using chikungunya virus (CHIKV), we describe a unique arbovirus fidelity variant with a single C483Y amino acid change in the nsP4 RdRp that increases replication fidelity and generates populations with reduced genetic diversity. In mosquitoes, high fidelity CHIKV presents lower infection and dissemination titers than wild type. In newborn mice, high fidelity CHIKV produces truncated viremias and lower organ titers. These results indicate that increased replication fidelity and reduced genetic diversity negatively impact arbovirus fitness in invertebrate and vertebrate hosts.

Without an effective prophylactic solution, infections from SARS-CoV-2 continue to rise worldwide with devastating health and economic costs. SARS-CoV-2 gains entry into host cells via an interaction between its Spike protein and the host cell receptor angiotensin converting enzyme 2 (ACE2). Disruption of this interaction confers potent neutralization of viral entry, providing an avenue for vaccine design and for therapeutic antibodies. Here, we develop single-domain antibodies (nanobodies) that potently disrupt the interaction between the SARS-CoV-2 Spike and ACE2. By screening a yeast surface-displayed library of synthetic nanobody sequences, we identified a panel of nanobodies that bind to multiple epitopes on Spike and block ACE2 interaction via two distinct mechanisms. Cryogenic electron microscopy (cryo-EM) revealed that one exceptionally stable nanobody, Nb6, binds Spike in a fully inactive conformation with its receptor binding domains (RBDs) locked into their inaccessible down-state, incapable of binding ACE2. Affinity maturation and structure-guided design of multivalency yielded a trivalent nanobody, mNb6-tri, with femtomolar affinity for SARS-CoV-2 Spike and picomolar neutralization of SARS-CoV-2 infection. mNb6-tri retains stability and function after aerosolization, lyophilization, and heat treatment. These properties may enable aerosol-mediated delivery of this potent neutralizer directly to the airway epithelia, promising to yield a widely deployable, patient-friendly prophylactic and/or early infection therapeutic agent to stem the worst pandemic in a century.

Abstract SARS-CoV-2 infection of human cells is initiated by the binding of the viral Spike protein to its cell-surface receptor ACE2. We conducted a targeted CRISPRi screen to uncover druggable pathways controlling Spike protein binding to human cells. We found that the protein BRD2 is required for ACE2 transcription in human lung epithelial cells and cardiomyocytes, and BRD2 inhibitors currently evaluated in clinical trials potently block endogenous ACE2 expression and SARS-CoV-2 infection of human cells, including those of human nasal epithelia. Moreover, pharmacological BRD2 inhibition with the drug ABBV-744 inhibited SARS-CoV-2 replication in Syrian hamsters. We also found that BRD2 controls transcription of several other genes induced upon SARS-CoV-2 infection, including the interferon response, which in turn regulates the antiviral response. Together, our results pinpoint BRD2 as a potent and essential regulator of the host response to SARS-CoV-2 infection and highlight the potential of BRD2 as a novel therapeutic target for COVID-19.

Abstract SARS-CoV-2 is the causative agent behind the COVID-19 pandemic, and responsible for over 170 million infections, and over 3.7 million deaths worldwide. Efforts to test, treat and vaccinate against this pathogen all benefit from an improved understanding of the basic biology of SARS-CoV-2. Both viral and cellular proteases play a crucial role in SARS-CoV-2 replication, and inhibitors targeting proteases have already shown success at inhibiting SARS-CoV-2 in cell culture models. Here, we study proteolytic cleavage of viral and cellular proteins in two cell line models of SARS-CoV-2 replication using mass spectrometry to identify protein neo-N-termini generated through protease activity. We identify previously unknown cleavage sites in multiple viral proteins, including major antigenic proteins S and N, which are the main targets for vaccine and antibody testing efforts. We discovered significant increases in cellular cleavage events consistent with cleavage by SARS-CoV-2 main protease, and identify 14 potential high-confidence substrates of the main and papain-like proteases, validating a subset with in vitro assays. We showed that siRNA depletion of these cellular proteins inhibits SARS-CoV-2 replication, and that drugs targeting two of these proteins: the tyrosine kinase SRC and Ser/Thr kinase MYLK, showed a dose-dependent reduction in SARS-CoV-2 titres. Overall, our study provides a powerful resource to understand proteolysis in the context of viral infection, and to inform the development of targeted strategies to inhibit SARS-CoV-2 and treat COVID-19.