ABSTRACT The severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) nsp1 protein has unique biological functions that have not been described in the viral proteins of any RNA viruses; expressed SARS-CoV nsp1 protein has been found to suppress host gene expression by promoting host mRNA degradation and inhibiting translation. We generated an nsp1 mutant (nsp1-mt) that neither promoted host mRNA degradation nor suppressed host protein synthesis in expressing cells. Both a SARS-CoV mutant virus, encoding the nsp1-mt protein (SARS-CoV-mt), and a wild-type virus (SARS-CoV-WT) replicated efficiently and exhibited similar one-step growth kinetics in susceptible cells. Both viruses accumulated similar amounts of virus-specific mRNAs and nsp1 protein in infected cells, whereas the amounts of endogenous host mRNAs were clearly higher in SARS-CoV-mt-infected cells than in SARS-CoV-WT-infected cells, in both the presence and absence of actinomycin D. Further, SARS-CoV-WT replication strongly inhibited host protein synthesis, whereas host protein synthesis inhibition in SARS-CoV-mt-infected cells was not as efficient as in SARS-CoV-WT-infected cells. These data revealed that nsp1 indeed promoted host mRNA degradation and contributed to host protein translation inhibition in infected cells. Notably, SARS-CoV-mt infection, but not SARS-CoV-WT infection, induced high levels of beta interferon (IFN) mRNA accumulation and high titers of type I IFN production. These data demonstrated that SARS-CoV nsp1 suppressed host innate immune functions, including type I IFN expression, in infected cells and suggested that SARS-CoV nsp1 most probably plays a critical role in SARS-CoV virulence.

Severe acute respiratory syndrome (SARS) coronavirus (SCoV) causes a recently emerged human disease associated with pneumonia. The 5' end two-thirds of the single-stranded positive-sense viral genomic RNA, gene 1, encodes 16 mature proteins. Expression of nsp1, the most N-terminal gene 1 protein, prevented Sendai virus-induced endogenous IFN-beta mRNA accumulation without inhibiting dimerization of IFN regulatory factor 3, a protein that is essential for activation of the IFN-beta promoter. Furthermore, nsp1 expression promoted degradation of expressed RNA transcripts and host endogenous mRNAs, leading to a strong host protein synthesis inhibition. SCoV replication also promoted degradation of expressed RNA transcripts and host mRNAs, suggesting that nsp1 exerted its mRNA destabilization function in infected cells. In contrast to nsp1-induced mRNA destablization, no degradation of the 28S and 18S rRNAs occurred in either nsp1-expressing cells or SCoV-infected cells. These data suggested that, in infected cells, nsp1 promotes host mRNA degradation and thereby suppresses host gene expression, including proteins involved in host innate immune functions. SCoV nsp1-mediated promotion of host mRNA degradation may play an important role in SCoV pathogenesis.

The SARS coronavirus protein nsp1 can suppress host gene expression at a post-transcriptional level, with previous work showing a reduction in mRNA abundance. Now a direct effect on protein synthesis is revealed, as nsp1 modifies transcripts and also inactivates the 40S ribosomal subunit. Severe acute respiratory syndrome coronavirus nsp1 protein suppresses host gene expression, including type I interferon production, by promoting host mRNA degradation and inhibiting host translation, in infected cells. We present evidence that nsp1 uses a novel, two-pronged strategy to inhibit host translation and gene expression. Nsp1 bound to the 40S ribosomal subunit and inactivated the translational activity of the 40S subunits. Furthermore, the nsp1–40S ribosome complex induced the modification of the 5′ region of capped mRNA template and rendered the template RNA translationally incompetent. Nsp1 also induced RNA cleavage in templates carrying the internal ribosome entry site (IRES) from encephalomyocarditis virus, but not in those carrying IRES elements from hepatitis C or cricket paralysis viruses, demonstrating that the nsp1-induced RNA modification was template-dependent. We speculate that the mRNAs that underwent the nsp1-mediated modification are marked for rapid turnover by the host RNA degradation machinery.

Here, we screened steroid compounds to obtain a drug expected to block host inflammatory responses and Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) replication. Ciclesonide, an inhaled corticosteroid, suppressed the replication of MERS-CoV and other coronaviruses, including severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), the cause of coronavirus disease 2019 (COVID-19), in cultured cells. The 90% effective concentration (EC90) of ciclesonide for SARS-CoV-2 in differentiated human bronchial tracheal epithelial cells was 0.55 μM. Eight consecutive passages of 43 SARS-CoV-2 isolates in the presence of ciclesonide generated 15 resistant mutants harboring single amino acid substitutions in nonstructural protein 3 (nsp3) or nsp4. Of note, ciclesonide suppressed the replication of all these mutants by 90% or more, suggesting that these mutants cannot completely overcome ciclesonide blockade. Under a microscope, the viral RNA replication-transcription complex in cells, which is thought to be detectable using antibodies specific for nsp3 and double-stranded RNA, was observed to fall in the presence of ciclesonide in a concentration-dependent manner. These observations indicate that the suppressive effect of ciclesonide on viral replication is specific to coronaviruses, highlighting it as a candidate drug for the treatment of COVID-19 patients.IMPORTANCE The outbreak of SARS-CoV-2, the cause of COVID-19, is ongoing. New and effective antiviral agents that combat the disease are needed urgently. Here, we found that an inhaled corticosteroid, ciclesonide, suppresses the replication of coronaviruses, including betacoronaviruses (murine hepatitis virus type 2 [MHV-2], MERS-CoV, SARS-CoV, and SARS-CoV-2) and an alphacoronavirus (human coronavirus 229E [HCoV-229E]), in cultured cells. Ciclesonide is safe; indeed, it can be administered to infants at high concentrations. Thus, ciclesonide is expected to be a broad-spectrum antiviral drug that is effective against many members of the coronavirus family. It could be prescribed for the treatment of MERS and COVID-19.

ABSTRACT Severe acute respiratory syndrome (SARS) coronavirus (SCoV) is an enveloped virus containing a single-stranded, positive-sense RNA genome. Nine mRNAs carrying a set of common 5′ and 3′ untranslated regions (UTR) are synthesized from the incoming viral genomic RNA in cells infected with SCoV. A nonstructural SCoV nsp1 protein causes a severe translational shutoff by binding to the 40S ribosomal subunits. The nsp1-40S ribosome complex further induces an endonucleolytic cleavage near the 5′UTR of host mRNA. However, the mechanism by which SCoV viral proteins are efficiently produced in infected cells in which host protein synthesis is impaired by nsp1 is unknown. In this study, we investigated the role of the viral UTRs in evasion of the nsp1-mediated shutoff. Luciferase activities were significantly suppressed in cells expressing nsp1 together with the mRNA carrying a luciferase gene, while nsp1 failed to suppress luciferase activities of the mRNA flanked by the 5′UTR of SCoV. An RNA-protein binding assay and RNA decay assay revealed that nsp1 bound to stem-loop 1 (SL1) in the 5′UTR of SCoV RNA and that the specific interaction with nsp1 stabilized the mRNA carrying SL1. Furthermore, experiments using an SCoV replicon system showed that the specific interaction enhanced the SCoV replication. The specific interaction of nsp1 with SL1 is an important strategy to facilitate efficient viral gene expression in infected cells, in which nsp1 suppresses host gene expression. Our data indicate a novel mechanism of viral gene expression control by nsp1 and give new insight into understanding the pathogenesis of SARS.

Summary Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has been identified as the causative agent of coronavirus disease 2019 (COVID-19). While the development of specific treatments and a vaccine is urgently needed, functional analyses of SARS-CoV-2 have been limited by the lack of convenient mutagenesis methods. In this study, we established a PCR-based, bacterium-free method to generate SARS-CoV-2 infectious clones. Recombinant SARS-CoV-2 could be rescued at high titer with high accuracy after assembling 10 SARS-CoV-2 cDNA fragments by circular polymerase extension reaction (CPER) and transfection of the resulting circular genome into susceptible cells. Notably, the construction of infectious clones for reporter viruses and mutant viruses could be completed in two simple steps: introduction of reporter genes or mutations into the desirable DNA fragments (~5,000 base pairs) by PCR and assembly of the DNA fragments by CPER. We hope that our reverse genetics system will contribute to the further understanding of SARS-CoV-2.

Abstract We screened steroid compounds to obtain a drug expected to block host inflammatory responses and MERS-CoV replication. Ciclesonide, an inhaled corticosteroid, suppressed replication of MERS-CoV and other coronaviruses, including SARS-CoV-2, the cause of COVID-19, in cultured cells. The effective concentration (EC 90 ) of ciclesonide for SARS-CoV-2 in differentiated human bronchial tracheal epithelial cells was 0.55 μM. Ciclesonide inhibited formation of double membrane vesicles, which anchor the viral replication-transcription complex in cells. Eight consecutive passages of 43 SARS-CoV-2 isolates in the presence of ciclesonide generated 15 resistant mutants harboring single amino acid substitutions in non-structural protein 3 (nsp3) or nsp4. Of note, ciclesonide still suppressed replication of all these mutants by 90% or more, suggesting that these mutants cannot completely overcome ciclesonide blockade. These observations indicate that the suppressive effect of ciclesonide on viral replication is specific to coronaviruses, highlighting it as a candidate drug for the treatment of COVID-19 patients. Importance The outbreak of SARS-CoV-2, the cause of COVID-19, is ongoing. To identify the effective antiviral agents to combat the disease is urgently needed. In the present study, we found that an inhaled corticosteroid, ciclesonide suppresses replication of coronaviruses, including beta-coronaviruses (MHV-2, MERS-CoV, SARS-CoV, and SARS-CoV-2) and an alpha-coronavirus (HCoV-229E) in cultured cells. The inhaled ciclesonide is safe; indeed, it can be administered to infants at high concentrations. Thus, ciclesonide is expected to be a broad-spectrum antiviral drug that is effective against many members of the coronavirus family. It could be prescribed for the treatment of MERS, and COVID-19.

SUMMARY Live attenuated vaccines are generally highly effective. Here, we aimed to develop one against SARS-CoV-2, based on the identification of three types of temperature-sensitive (TS) strains with mutations in nonstructural proteins (nsp), impaired proliferation at 37-39°C, and the capacity to induce protective immunity in Syrian hamsters. To develop a live-attenuated vaccine, we generated a virus that combined all these TS-associated mutations (rTS-all), which showed a robust TS phenotype in vitro and high attenuation in vivo . The vaccine induced an effective cross-reactive immune response and protected hamsters against homologous or heterologous viral challenges. Importantly, rTS-all rarely reverted to the wild-type phenotype. By combining these mutations with an Omicron spike protein to construct a recombinant virus, protection against the Omicron strain was obtained. We show that immediate and effective live-attenuated vaccine candidates against SARS-CoV-2 variants may be developed using rTS-all as a backbone to incorporate the spike protein of the variants.

Abstract Torovirus (ToV) has recently been classified in the new family Tobaniviridae, although it belonged to the Coronavirus (CoV) family historically. Reverse genetics systems for many CoVs have been established, but none exist for ToVs. Here, we describe a reverse genetics system using a full-length infectious cDNA clone of bovine ToV (BToV) in a bacterial artificial chromosome (BAC). Recombinant BToV containing genetic markers had the same phenotype as wild-type (wt) BToV. To generate two types of recombinant virus, the Hemagglutinin-esterase (HE) gene was manipulated, since cell-adapted wtBToV generally loses the full-length HE (HEf), resulting in soluble HE (HEs). First, recombinant viruses with HEf and HA-tagged HEf or HEs genes were rescued; these showed no significant differences in cell growth, suggesting that HE is not essential for viral growth in cells. Then, recombinant virus in which HE was replaced by the Enhanced Green Fluorescent Protein (EGFP) gene expressed EGFP in infected cells, but showed significantly reduced viral growth compared to wtBToV. Moreover, the recombinant virus readily deleted the EGFP gene after one passage. Interestingly, one variant with mutations in non-structural proteins (NSPs) showed improved EGFP expression and viral growth during serial passages, although it eventually deleted the EGFP gene, suggesting that these mutations contributed to EGFP gene acceptance. These recombinant viruses provide new insights regarding BToV and its reverse genetics will help advance understanding of this neglected pathogen. Importance ToVs are diarrhea-causing pathogens that have been detected in many species, including humans. BToV has spread worldwide, leading to economic losses. We developed the first reverse genetics system for Tobaniviridae using a BAC-based BToV. Using this system, we showed that recombinant BToVs with HEf and HEs showed no significant differences in cell growth. In contrast, clinical BToVs generally lose the HE gene after a few passages but some recombinant viruses retained the HE gene for up to 20 passages, suggesting some benefits of HE retention. The EGFP gene of the recombinant viruses was unstable and was rapidly deleted, likely via negative selection. Interestingly, one virus variant with mutations in NSPs was more stable, resulting in improved EGFP-expression and viral growth, suggesting that the mutations contributed to some acceptance of the exogenous EGFP gene without clear positive selection. The recombinant BToVs and reverse genetics developed here are powerful tools for understanding fundamental viral processes and their pathogenesis and for developing BToV vaccines.

Abstract mRNA vaccines against SARS-CoV-2 were rapidly developed and effective during the pandemic. However, some limitations remain to be resolved, such as the short-lived induced immune response and certain adverse effects. Therefore, there is an urgent need to develop new vaccines that address these issues. While live-attenuated vaccines are a highly effective modality, they pose a risk of adverse effects, including virulence reversion. In the current study, we constructed a live-attenuated vaccine candidate, BK2102, combining naturally occurring virulence-attenuating mutations in the NSP14 , NSP1 , spike and ORF7-8 coding regions. Intranasal inoculation with BK2102 induced humoral and cellular immune responses in Syrian hamsters without apparent tissue damage in the lungs, leading to protection against a SARS-CoV-2 D614G and an Omicron BA.5 strains. The neutralizing antibodies induced by BK2102 persisted for up to 364 days, which indicated that they confer long-term protection against infection. Furthermore, we confirmed the safety of BK2102 using transgenic (Tg) mice expressing human ACE2 (hACE2), that are highly susceptible to SARS-CoV-2. BK2102 did not kill the Tg mice, even when virus was administered at a dose of 10 6 plaque-forming units (PFU), while 10 2 PFU of the D614G strain or an attenuated strain lacking the furin cleavage site (FCS) of the spike was sufficient to kill mice. These results suggest that BK2102 is a promising live-vaccine candidate strain that confers long-term protection without significant virulence.