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.

Abstract The emergence of SARS-CoV-2 has resulted in a worldwide pandemic causing significant damage to public health and the economy. Efforts to understand the mechanisms of COVID-19 disease have been hampered by the lack of robust mouse models. To overcome this barrier, we utilized a reverse genetic system to generate a mouse-adapted strain of SARS-CoV-2. Incorporating key mutations found in SARSCoV-2 variants, this model recapitulates critical elements of human infection including viral replication in the lung, immune cell infiltration, and significant in vivo disease. Importantly, mouse-adaptation of SARS-CoV-2 does not impair replication in human airway cells and maintains antigenicity similar to human SARS-CoV-2 strains. Utilizing this model, we demonstrate that SARS-CoV-2 infected mice are protected from lethal challenge with the original SARS-CoV, suggesting immunity from heterologous CoV strains. Together, the results highlight the utility of this mouse model for further study of SARS-CoV-2 infection and disease.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is responsible for the COVID-19 pandemic. Neutralizing antibodies target the receptor binding domain of the spike (S) protein, a focus of successful vaccine efforts. Concerns have arisen that S-specific vaccine immunity may fail to neutralize emerging variants. We show that vaccination with HAd5 expressing the nucleocapsid (N) protein can establish protective immunity, defined by reduced weight loss and viral load, in both Syrian hamsters and k18-hACE2 mice. Challenge of vaccinated mice was associated with rapid N-specific T cell recall responses in the respiratory mucosa. This study supports the rationale for including additional viral antigens, even if they are not a target of neutralizing antibodies, to broaden epitope coverage and immune effector mechanisms.

Abstract While SARS-CoV-2 continues to adapt for human infection and transmission, genetic variation outside of the spike gene remains largely unexplored. This study investigates a highly variable region at residues 203-205 in the SARS-CoV-2 nucleocapsid protein. Recreating a mutation found in the alpha and omicron variants in an early pandemic (WA-1) background, we find that the R203K+G204R mutation is sufficient to enhance replication, fitness, and pathogenesis of SARS-CoV-2. The R203K+G204R mutant corresponds with increased viral RNA and protein both in vitro and in vivo . Importantly, the R203K+G204R mutation increases nucleocapsid phosphorylation and confers resistance to inhibition of the GSK-3 kinase, providing a molecular basis for increased virus replication. Notably, analogous alanine substitutions at positions 203+204 also increase SARS-CoV-2 replication and augment phosphorylation, suggesting that infection is enhanced through ablation of the ancestral ‘RG’ motif. Overall, these results demonstrate that variant mutations outside spike are key components in SARS-CoV-2’s continued adaptation to human infection. Author Summary Since its emergence, SARS-CoV-2 has continued to adapt for human infection resulting in the emergence of variants with unique genetic profiles. Most studies of genetic variation have focused on spike, the target of currently available vaccines, leaving the importance of variation elsewhere understudied. Here, we characterize a highly variable motif at residues 203-205 in nucleocapsid. Recreating the prominent nucleocapsid R203K+G204R mutation in an early pandemic background, we show that this mutation is alone sufficient to enhance SARS-CoV-2 replication and pathogenesis. We also link augmentation of SARS-CoV-2 infection by the R203K+G204R mutation to its modulation of nucleocapsid phosphorylation. Finally, we characterize an analogous alanine double substitution at positions 203-204. This mutant was found to mimic R203K+G204R, suggesting augmentation of infection occurs by disrupting the ancestral sequence. Together, our findings illustrate that mutations outside of spike are key components of SARS-CoV-2’s adaptation to human infection.

Abstract The furin cleavage site (FCS), an unusual feature in the SARS-CoV-2 spike protein, has been spotlighted as a factor key to facilitating infection and pathogenesis by increasing spike processing 1,2 . Similarly, the QTQTN motif directly upstream of the FCS is also an unusual feature for group 2B coronaviruses (CoVs). The QTQTN deletion has consistently been observed in in vitro cultured virus stocks and some clinical isolates 3 . To determine whether the QTQTN motif is critical to SARS-CoV-2 replication and pathogenesis, we generated a mutant deleting the QTQTN motif (ΔQTQTN). Here we report that the QTQTN deletion attenuates viral replication in respiratory cells in vitro and attenuates disease in vivo . The deletion results in a shortened, more rigid peptide loop that contains the FCS, and is less accessible to host proteases, such as TMPRSS2. Thus, the deletion reduced the efficiency of spike processing and attenuates SARS-CoV-2 infection. Importantly, the QTQTN motif also contains residues that are glycosylated 4 , and disruption its glycosylation also attenuates virus replication in a TMPRSS2-dependent manner. Together, our results reveal that three aspects of the S1/S2 cleavage site – the FCS, loop length, and glycosylation – are required for efficient SARS-CoV-2 replication and pathogenesis.

Viruses interact with numerous host factors to facilitate viral replication and to dampen antiviral defense mechanisms. We currently have a limited mechanistic understanding of how SARS-CoV-2 binds host factors and the functional role of these interactions. Here, we uncover a novel interaction between the viral NSP3 protein and the fragile X mental retardation proteins (FMRPs: FMR1 and FXR1-2). SARS-CoV-2 NSP3 mutant viruses preventing FMRP binding have attenuated replication in vitro and have delayed disease onset in vivo. We show that a unique peptide motif in NSP3 binds directly to the two central KH domains of FMRPs and that this interaction is disrupted by the I304N mutation found in a patient with fragile X syndrome. NSP3 binding to FMRPs disrupts their interaction with the stress granule component UBAP2L through direct competition with a peptide motif in UBAP2L to prevent FMRP incorporation into stress granules. Collectively, our results provide novel insight into how SARS-CoV-2 hijacks host cell proteins for efficient infection and provides molecular insight to the possible underlying molecular defects in fragile X syndrome.

Understanding the molecular basis of innate immune evasion by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is an important consideration for designing the next wave of therapeutics. Here, we investigate the role of the nonstructural protein 16 (NSP16) of SARS-CoV-2 in infection and pathogenesis. NSP16, a ribonucleoside 2'- O methyltransferase (MTase), catalyzes the transfer of a methyl group to mRNA as part of the capping process. Based on observations with other CoVs, we hypothesized that NSP16 2'- O MTase function protects SARS-CoV-2 from cap-sensing host restriction. Therefore, we engineered SARS-CoV-2 with a mutation that disrupts a conserved residue in the active site of NSP16. We subsequently show that this mutant is attenuated both in vitro and in vivo , using a hamster model of SARS-CoV-2 infection. Mechanistically, we confirm that the NSP16 mutant is more sensitive to type I interferon (IFN-I) in vitro . Furthermore, silencing IFIT1 or IFIT3, IFN-stimulated genes that sense a lack of 2'- O methylation, partially restores fitness to the NSP16 mutant. Finally, we demonstrate that sinefungin, a methyltransferase inhibitor that binds the catalytic site of NSP16, sensitizes wild-type SARS-CoV-2 to IFN-I treatment. Overall, our findings highlight the importance of SARS-CoV-2 NSP16 in evading host innate immunity and suggest a possible target for future antiviral therapies.Similar to other coronaviruses, disruption of SARS-CoV-2 NSP16 function attenuates viral replication in a type I interferon-dependent manner. In vivo , our results show reduced disease and viral replication at late times in the hamster lung, but an earlier titer deficit for the NSP16 mutant (dNSP16) in the upper airway. In addition, our results confirm a role for IFIT1, but also demonstrate the necessity of IFIT3 in mediating dNSP16 attenuation. Finally, we show that targeting NSP16 activity with a 2'- O methyltransferase inhibitor in combination with type I interferon offers a novel avenue for antiviral development.

Abstract SARS-CoV-2 has resulted in a global pandemic and shutdown economies around the world. Sequence analysis indicates that the novel coronavirus (CoV) has an insertion of a furin cleavage site (PRRAR) in its spike protein. Absent in other group 2B CoVs, the insertion may be a key factor in the replication and virulence of SARS-CoV-2. To explore this question, we generated a SARS-CoV-2 mutant lacking the furin cleavage site (ΔPRRA) in the spike protein. This mutant virus replicated with faster kinetics and improved fitness in Vero E6 cells. The mutant virus also had reduced spike protein processing as compared to wild-type SARS-CoV-2. In contrast, the ΔPRRA had reduced replication in Calu3 cells, a human respiratory cell line, and had attenuated disease in a hamster pathogenesis model. Despite the reduced disease, the ΔPRRA mutant offered robust protection from SARS-CoV-2 rechallenge. Importantly, plaque reduction neutralization tests (PRNT 50 ) with COVID-19 patient sera and monoclonal antibodies against the receptor-binding domain found a shift, with the mutant virus resulting in consistently reduced PRNT 50 titers. Together, these results demonstrate a critical role for the furin cleavage site insertion in SARS-CoV-2 replication and pathogenesis. In addition, these findings illustrate the importance of this insertion in evaluating neutralization and other downstream SARS-CoV-2 assays. Importance As COVID-19 has impacted the world, understanding how SARS-CoV-2 replicates and causes virulence offers potential pathways to disrupt its disease. By removing the furin cleavage site, we demonstrate the importance of this insertion to SARS-CoV-2 replication and pathogenesis. In addition, the findings with Vero cells indicate the likelihood of cell culture adaptations in virus stocks that can influence reagent generation and interpretation of a wide range of data including neutralization and drug efficacy. Overall, our work highlights the importance of this key motif in SARS-CoV-2 infection and pathogenesis. Article Summary A deletion of the furin cleavage site in SARS-CoV-2 amplifies replication in Vero cells, but attenuates replication in respiratory cells and pathogenesis in vivo. Loss of the furin site also reduces susceptibility to neutralization in vitro .

Abstract SARS-CoV-2 Omicron variants emerged in 2022 with >30 novel amino acid mutations in the spike protein alone. While most studies focus on receptor binding domain changes, mutations in the C-terminus of S1 (CTS1), adjacent to the furin cleavage site, have largely been ignored. In this study, we examined three Omicron mutations in CTS1: H655Y, N679K, and P681H. Generating a SARS-CoV-2 triple mutant (YKH), we found that the mutant increased spike processing, consistent with prior reports for H655Y and P681H individually. Next, we generated a single N679K mutant, finding reduced viral replication in vitro and less disease in vivo. Mechanistically, the N679K mutant had reduced spike protein in purified virions compared to wild-type; spike protein decreases were further exacerbated in infected cell lysates. Importantly, exogenous spike expression also revealed that N679K reduced overall spike protein yield independent of infection. Although a loss-of-function mutation, transmission competition demonstrated that N679K had a replication advantage in the upper airway over wild-type SARS-CoV-2 in hamsters, potentially impacting transmissibility. Together, the data show that N679K reduces overall spike protein levels during Omicron infection, which has important implications for infection, immunity, and transmission.

Bunyaviruses are significant human pathogens, causing diseases ranging from hemorrhagic fevers to encephalitis. Among these viruses, La Crosse virus (LACV), a member of the California serogroup, circulates in the eastern and midwestern United States. While LACV infection is often asymptomatic, dozens of cases of encephalitis are reported yearly. Unfortunately, no antivirals have been approved to treat LACV infection. Here, we developed a method to rapidly test potential antivirals against LACV infection. From this screen, we identified several potential antiviral molecules, including known antivirals. Additionally, we identified many novel antivirals that exhibited antiviral activity without affecting cellular viability. Valinomycin, a potassium ionophore, was among our top targets. We found that valinomycin exhibited potent anti-LACV activity in multiple cell types in a dose-dependent manner. Valinomycin did not affect particle stability or infectivity, suggesting that it may preclude virus replication by altering cellular potassium ions, a known determinant of LACV entry. We extended these results to other ionophores and found that the antiviral activity of valinomycin extended to other viral families including bunyaviruses (Rift Valley fever virus, Keystone virus), enteroviruses (Coxsackievirus, rhinovirus), flavirivuses (Zika), and coronaviruses (229E and MERS-CoV). In all viral infections, we observed significant reductions in virus titer in valinomycin-treated cells. In sum, we demonstrate the importance of potassium ions to virus infection, suggesting a potential therapeutic target to disrupt virus replication.