The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike protein substitution D614G became dominant during the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic1,2. However, the effect of this variant on viral spread and vaccine efficacy remains to be defined. Here we engineered the spike D614G substitution in the USA-WA1/2020 SARS-CoV-2 strain, and found that it enhances viral replication in human lung epithelial cells and primary human airway tissues by increasing the infectivity and stability of virions. Hamsters infected with SARS-CoV-2 expressing spike(D614G) (G614 virus) produced higher infectious titres in nasal washes and the trachea, but not in the lungs, supporting clinical evidence showing that the mutation enhances viral loads in the upper respiratory tract of COVID-19 patients and may increase transmission. Sera from hamsters infected with D614 virus exhibit modestly higher neutralization titres against G614 virus than against D614 virus, suggesting that the mutation is unlikely to reduce the ability of vaccines in clinical trials to protect against COVID-19, and that therapeutic antibodies should be tested against the circulating G614 virus. Together with clinical findings, our work underscores the importance of this variant in viral spread and its implications for vaccine efficacy and antibody therapy. The SARS-CoV-2 variant expressing spike(D641G) shows increased infectivity in human lung epithelial cells and in hamster and primary human upper airway tissues, but is more susceptible to neutralization by antibodies raised against SARS-CoV-2.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2)—a new coronavirus that has led to a worldwide pandemic1—has a furin cleavage site (PRRAR) in its spike protein that is absent in other group-2B coronaviruses2. To explore whether the furin cleavage site contributes to infection and pathogenesis in this virus, we generated a mutant SARS-CoV-2 that lacks the furin cleavage site (ΔPRRA). Here we report that replicates of ΔPRRA SARS-CoV-2 had faster kinetics, improved fitness in Vero E6 cells and reduced spike protein processing, as compared to parental SARS-CoV-2. However, the ΔPRRA mutant had reduced replication in a human respiratory cell line and was attenuated in both hamster and K18-hACE2 transgenic mouse models of SARS-CoV-2 pathogenesis. Despite reduced disease, the ΔPRRA mutant conferred protection against rechallenge with the parental SARS-CoV-2. Importantly, the neutralization values of sera from patients with coronavirus disease 2019 (COVID-19) and monoclonal antibodies against the receptor-binding domain of SARS-CoV-2 were lower against the ΔPRRA mutant than against parental SARS-CoV-2, probably owing to an increased ratio of particles to plaque-forming units in infections with the former. Together, our results demonstrate a critical role for the furin cleavage site in infection with SARS-CoV-2 and highlight the importance of this site for evaluating the neutralization activities of antibodies. Experimental deletion of the furin cleavage site of the SARS-CoV-2 spike protein highlights an important role for this site in infection and the need to consider this site when evaluating the neutralization activities of antibodies.

The B.1.1.7 variant (also known as Alpha) of SARS-CoV-2, the cause of the COVID-19 pandemic, emerged in the UK in the summer of 2020. The prevalence of this variant increased rapidly owing to an increase in infection and/or transmission efficiency1. The Alpha variant contains 19 nonsynonymous mutations across its viral genome, including 8 substitutions or deletions in the spike protein that interacts with cellular receptors to mediate infection and tropism. Here, using a reverse genetics approach, we show that of the 8 individual spike protein substitutions, only N501Y resulted in consistent fitness gains for replication in the upper airway in a hamster model as well as in primary human airway epithelial cells. The N501Y substitution recapitulated the enhanced viral transmission phenotype of the eight mutations in the Alpha spike protein, suggesting that it is a major determinant of the increased transmission of the Alpha variant. Mechanistically, the N501Y substitution increased the affinity of the viral spike protein for cellular receptors. As suggested by its convergent evolution in Brazil, South Africa and elsewhere2,3, our results indicate that N501Y substitution is an adaptive spike mutation of major concern. Experiments in a hamster model of COVID-19 and human airway epithelial cells show that the spike N501Y mutation is the major determinant of increased fitness of the B.1.1.7 Alpha variant of SARS-CoV-2.

We report that severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) Delta spike mutation P681R plays a key role in the Alpha-to-Delta variant replacement during the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic. Delta SARS-CoV-2 efficiently outcompetes the Alpha variant in human lung epithelial cells and primary human airway tissues. The Delta spike mutation P681R is located at a furin cleavage site that separates the spike 1 (S1) and S2 subunits. Reverting the P681R mutation to wild-type P681 significantly reduces the replication of the Delta variant to a level lower than the Alpha variant. Mechanistically, the Delta P681R mutation enhances the cleavage of the full-length spike to S1 and S2, which could improve cell-surface-mediated virus entry. In contrast, the Alpha spike also has a mutation at the same amino acid (P681H), but the cleavage of the Alpha spike is reduced compared with the Delta spike. Our results suggest P681R as a key mutation in enhancing Delta-variant replication via increased S1/S2 cleavage.

Abstract One major limitation of neutralizing antibody-based COVID-19 therapy is the requirement of costly cocktails to reduce antibody resistance. We engineered two bispecific antibodies (bsAbs) using distinct designs and compared them with parental antibodies and their cocktail. Single molecules of both bsAbs block the two epitopes targeted by parental antibodies on the receptor-binding domain (RBD). However, bsAb with the IgG-(scFv) 2 design (14-H-06) but not the CrossMAb design (14-crs-06) increases antigen-binding and virus-neutralizing activities and spectrum against multiple SARS-CoV-2 variants including the Omicron, than the cocktail. X-ray crystallography and computational simulations reveal distinct neutralizing mechanisms for individual cocktail antibodies and suggest higher inter-spike crosslinking potentials by 14-H-06 than 14-crs-06. In mouse models of infections by SARS-CoV-2 and the Beta, Gamma, and Delta variants, 14-H-06 exhibits higher or equivalent therapeutic efficacy than the cocktail. Rationally engineered bsAbs represent a cost-effective alternative to antibody cocktails and a promising strategy to improve potency and breadth.

ABSTRACT Human cytomegalovirus (HCMV) encodes for multiple surface glycoproteins and glycoprotein complexes 1, 2 . One of these complexes, the HCMV Pentamer (gH, gL, UL128, UL130 and UL131), mediates tropism to both epithelial and endothelial cells by interacting with the cell surface receptor neuropilin 2 (NRP2) 3, 4 . Despite the critical nature of this interaction, the molecular determinants that govern NRP2 recognition remain unclear. Here we describe the cryo-EM structure of NRP2 bound to the HCMV Pentamer. The high-affinity interaction between these proteins is calcium-dependent and differs from the canonical C-terminal arginine (CendR) binding that NRP2 typically utilizes 5, 6 . The interaction is primarily mediated by NRP2 domains a2 and b2, which interact with UL128 and UL131. We also determine the structures of four human-derived neutralizing antibodies in complex with the HCMV Pentamer to define susceptible epitopes. The two most potent antibodies recognize a novel epitope yet do not compete with NRP2 binding. Collectively, these findings provide a structural basis for HCMV tropism and antibody-mediated neutralization, and serve as a guide for the development of HCMV treatments and vaccines.

We report the engineering and selection of two synthetic proteins - FSR16m and FSR22 - for possible treatment of SARS-CoV-2 infection. FSR16m and FSR22 are trimeric proteins composed of DARPin SR16m or SR22 fused with a T4 foldon and exhibit broad spectrum neutralization of SARS-Cov-2 strains. The IC 50 values of FSR16m against authentic B.1.351, B.1.617.2 and BA.1.1 variants are 3.4 ng/mL, 2.2 ng/mL and 7.4 ng/mL, respectively, comparable to currently used therapeutic antibodies. Despite the use of the spike protein from a now historical wild-type virus for design, FSR16m and FSR22 both exhibit increased neutralization against newly-emerged variants of concern (39- to 296-fold) in pseudovirus assays. Cryo-EM structures revealed that these DARPins recognize a region of the receptor binding domain (RBD, residues 455-456, 486-489) overlapping a critical portion of the ACE2-binding surface. K18-hACE2 transgenic mice inoculated with a B.1.617.2 variant and receiving intranasally-administered FSR16m were protected as judged by less weight loss and 10-100-fold reductions in viral burden in the upper and lower respiratory tracts. The strong and broad neutralization potency make FSR16m and FSR22 promising candidates for prevention and treatment of infection by current and potential future strains of SARS-CoV-2.

Abstract Recently, we discovered a new glucogenic and centrally-acting orexigenic hormone – asprosin. Asprosin is elevated in metabolic syndrome (MS) patients, and importantly, its genetic loss results in reduced appetite, leanness and robust insulin sensitivity, leading to protection from MS. Here we demonstrate that anti-asprosin monoclonal antibodies (mAbs) are a dual-effect pharmacologic therapy that targets the two key pillars of MS – over-nutrition and the blood glucose burden. Anti-asprosin mAbs from three distinct species lowered appetite and body weight, and improved blood glucose in a dose-dependent and epitope-agnostic fashion in three independent MS mouse models, with an IC 50 of ∼1.5 mg/kg. In addition, mAb treatment ameliorated MS associated dyslipidemia and hepatic dysfunction. The mAbs displayed half-life of over 3 days in vivo, with equilibrium dissociation-constants in picomolar to low nanomolar range. This evidence paves the way for further development towards an investigational new drug application and subsequent human trials for treatment of MS, a defining physical ailment of our time.

SARS-CoV-2 Delta variant has rapidly replaced the Alpha variant around the world. The mechanism that drives this global replacement has not been defined. Here we report that Delta spike mutation P681R plays a key role in the Alpha-to-Delta variant replacement. In a replication competition assay, Delta SARS-CoV-2 efficiently outcompeted the Alpha variant in human lung epithelial cells and primary human airway tissues. Delta SARS-CoV-2 bearing the Alpha-spike glycoprotein replicated less efficiently than the wild-type Delta variant, suggesting the importance of Delta spike in enhancing viral replication. The Delta spike has accumulated mutation P681R located at a furin cleavage site that separates the spike 1 (S1) and S2 subunits. Reverting the P681R mutation to wild-type P681 significantly reduced the replication of Delta variant, to a level lower than the Alpha variant. Mechanistically, the Delta P681R mutation enhanced the cleavage of the full-length spike to S1 and S2, leading to increased infection via cell surface entry. In contrast, the Alpha spike also has a mutation at the same amino acid (P681H), but the spike cleavage from purified Alpha virions was reduced compared to the Delta spike. Collectively, our results indicate P681R as a key mutation in enhancing Delta variant replication via increased S1/S2 cleavage. Spike mutations that potentially affect furin cleavage efficiency must be closely monitored for future variant surveillance.

Abstract The capacity of SARS-CoV-2 to evolve poses challenges to conventional prevention and treatment options such as vaccination and monoclonal antibodies, as they rely on viral receptor binding domain (RBD) sequences from previous strains. Additionally, animal CoVs, especially those of the SARS family, are now appreciated as a constant pandemic threat. We present here a new antiviral approach featuring inhalation delivery of a recombinant viral trap composed of ten copies of angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) fused to the IgM Fc. This ACE2 decamer viral trap is designed to inhibit SARS-CoV-2 entry function, regardless of viral RBD sequence variations as shown by its high neutralization potency against all known SARS-CoV-2 variants, including Omicron BQ.1, BQ.1.1, XBB.1 and XBB.1.5. In addition, it demonstrates potency against SARS-CoV-1, human NL63, as well as bat and pangolin CoVs. The multivalent trap is effective in both prophylactic and therapeutic settings since a single intranasal dosing confers protection in human ACE2 transgenic mice against viral challenges. Lastly, this molecule is stable at ambient temperature for more than twelve weeks and can sustain physical stress from aerosolization. These results demonstrate the potential of a decameric ACE2 viral trap as an inhalation solution for ACE2-dependent coronaviruses of current and future pandemic concerns.