The mode of acquisition and causes for the variable clinical spectrum of coronavirus disease 2019 (COVID-19) remain unknown. We utilized a reverse genetics system to generate a GFP reporter virus to explore severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) pathogenesis and a luciferase reporter virus to demonstrate sera collected from SARS and COVID-19 patients exhibited limited cross-CoV neutralization. High-sensitivity RNA in situ mapping revealed the highest angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) expression in the nose with decreasing expression throughout the lower respiratory tract, paralleled by a striking gradient of SARS-CoV-2 infection in proximal (high) versus distal (low) pulmonary epithelial cultures. COVID-19 autopsied lung studies identified focal disease and, congruent with culture data, SARS-CoV-2-infected ciliated and type 2 pneumocyte cells in airway and alveolar regions, respectively. These findings highlight the nasal susceptibility to SARS-CoV-2 with likely subsequent aspiration-mediated virus seeding to the lung in SARS-CoV-2 pathogenesis. These reagents provide a foundation for investigations into virus-host interactions in protective immunity, host susceptibility, and virus pathogenesis.

A vaccine for severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is needed to control the coronavirus disease 2019 (COVID-19) global pandemic. Structural studies have led to the development of mutations that stabilize Betacoronavirus spike proteins in the prefusion state, improving their expression and increasing immunogenicity1. This principle has been applied to design mRNA-1273, an mRNA vaccine that encodes a SARS-CoV-2 spike protein that is stabilized in the prefusion conformation. Here we show that mRNA-1273 induces potent neutralizing antibody responses to both wild-type (D614) and D614G mutant2 SARS-CoV-2 as well as CD8+ T cell responses, and protects against SARS-CoV-2 infection in the lungs and noses of mice without evidence of immunopathology. mRNA-1273 is currently in a phase III trial to evaluate its efficacy. mRNA-1273, an mRNA vaccine that encodes a stabilized prefusion-state severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike protein, elicits robust immune responses and protects mice against replication of SARS-CoV-2 in the upper and lower airways.

The ongoing pandemic of coronavirus disease 2019 (COVID-19), which is caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), is a major threat to global health1 and the medical countermeasures available so far are limited2,3. Moreover, we currently lack a thorough understanding of the mechanisms of humoral immunity to SARS-CoV-24. Here we analyse a large panel of human monoclonal antibodies that target the spike (S) glycoprotein5, and identify several that exhibit potent neutralizing activity and fully block the receptor-binding domain of the S protein (SRBD) from interacting with human angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). Using competition-binding, structural and functional studies, we show that the monoclonal antibodies can be clustered into classes that recognize distinct epitopes on the SRBD, as well as distinct conformational states of the S trimer. Two potently neutralizing monoclonal antibodies, COV2-2196 and COV2-2130, which recognize non-overlapping sites, bound simultaneously to the S protein and neutralized wild-type SARS-CoV-2 virus in a synergistic manner. In two mouse models of SARS-CoV-2 infection, passive transfer of COV2-2196, COV2-2130 or a combination of both of these antibodies protected mice from weight loss and reduced the viral burden and levels of inflammation in the lungs. In addition, passive transfer of either of two of the most potent ACE2-blocking monoclonal antibodies (COV2-2196 or COV2-2381) as monotherapy protected rhesus macaques from SARS-CoV-2 infection. These results identify protective epitopes on the SRBD and provide a structure-based framework for rational vaccine design and the selection of robust immunotherapeutic agents. An analysis identifies human monoclonal antibodies that potently neutralize wild-type SARS-CoV-2 and protect animals from disease, including two that synergize in a cocktail, suggesting that these could be candidates for use as therapeutic agents for the treatment of COVID-19 in humans.

Prototype DNA vaccines for SARS-CoV-2 The development of a vaccine to protect against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is an urgent biomedical need. Yu et al. designed a series of prototype DNA vaccines against the SARS-CoV-2 spike protein, which is used by the virus to bind and invade human cells. Analysis of the vaccine candidates in rhesus macaques showed that animals developed protective humoral and cellular immune responses when challenged with the virus. Neutralizing antibody titers were also observed at levels similar to those seen in humans who have recovered from SARS-CoV-2 infection. Science , this issue p. 806

Vaccines to prevent coronavirus disease 2019 (Covid-19) are urgently needed. The effect of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) vaccines on viral replication in both upper and lower airways is important to evaluate in nonhuman primates.Nonhuman primates received 10 or 100 μg of mRNA-1273, a vaccine encoding the prefusion-stabilized spike protein of SARS-CoV-2, or no vaccine. Antibody and T-cell responses were assessed before upper- and lower-airway challenge with SARS-CoV-2. Active viral replication and viral genomes in bronchoalveolar-lavage (BAL) fluid and nasal swab specimens were assessed by polymerase chain reaction, and histopathological analysis and viral quantification were performed on lung-tissue specimens.The mRNA-1273 vaccine candidate induced antibody levels exceeding those in human convalescent-phase serum, with live-virus reciprocal 50% inhibitory dilution (ID50) geometric mean titers of 501 in the 10-μg dose group and 3481 in the 100-μg dose group. Vaccination induced type 1 helper T-cell (Th1)-biased CD4 T-cell responses and low or undetectable Th2 or CD8 T-cell responses. Viral replication was not detectable in BAL fluid by day 2 after challenge in seven of eight animals in both vaccinated groups. No viral replication was detectable in the nose of any of the eight animals in the 100-μg dose group by day 2 after challenge, and limited inflammation or detectable viral genome or antigen was noted in lungs of animals in either vaccine group.Vaccination of nonhuman primates with mRNA-1273 induced robust SARS-CoV-2 neutralizing activity, rapid protection in the upper and lower airways, and no pathologic changes in the lung. (Funded by the National Institutes of Health and others.).

Immunity from reinfection One of the many open questions about severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection is whether an individual who has cleared the virus can be infected a second time and get sick. Chandrashekar et al. and Deng et al. generated rhesus macaque models of SARS-CoV-2 infection and tested whether natural SARS-CoV-2 infection could result in immunity to viral rechallenge. They found that animals indeed developed immune responses that protected against a second infection. Although there are differences between SARS-CoV-2 infection in macaques and in humans, these findings have key implications for public health and economic initiatives if validated in human studies. Science , this issue p. 812 , p. 818

The serum level of RBD-binding antibodies correlates with SARS-CoV-2 neutralization and can be used for population-level surveillance.

Coronaviruses are prone to transmission to new host species, as recently demonstrated by the spread to humans of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), the causative agent of the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic1. Small animal models that recapitulate SARS-CoV-2 disease are needed urgently for rapid evaluation of medical countermeasures2,3. SARS-CoV-2 cannot infect wild-type laboratory mice owing to inefficient interactions between the viral spike protein and the mouse orthologue of the human receptor, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2)4. Here we used reverse genetics5 to remodel the interaction between SARS-CoV-2 spike protein and mouse ACE2 and designed mouse-adapted SARS-CoV-2 (SARS-CoV-2 MA), a recombinant virus that can use mouse ACE2 for entry into cells. SARS-CoV-2 MA was able to replicate in the upper and lower airways of both young adult and aged BALB/c mice. SARS-CoV-2 MA caused more severe disease in aged mice, and exhibited more clinically relevant phenotypes than those seen in Hfh4-ACE2 transgenic mice, which express human ACE2 under the control of the Hfh4 (also known as Foxj1) promoter. We demonstrate the utility of this model using vaccine-challenge studies in immune-competent mice with native expression of mouse ACE2. Finally, we show that the clinical candidate interferon-λ1a (IFN-λ1a) potently inhibits SARS-CoV-2 replication in primary human airway epithelial cells in vitro-both prophylactic and therapeutic administration of IFN-λ1a diminished SARS-CoV-2 replication in mice. In summary, the mouse-adapted SARS-CoV-2 MA model demonstrates age-related disease pathogenesis and supports the clinical use of pegylated IFN-λ1a as a treatment for human COVID-196.

Antibodies are a principal determinant of immunity for most RNA viruses and have promise to reduce infection or disease during major epidemics. The novel coronavirus SARS-CoV-2 has caused a global pandemic with millions of infections and hundreds of thousands of deaths to date1,2. In response, we used a rapid antibody discovery platform to isolate hundreds of human monoclonal antibodies (mAbs) against the SARS-CoV-2 spike (S) protein. We stratify these mAbs into five major classes on the basis of their reactivity to subdomains of S protein as well as their cross-reactivity to SARS-CoV. Many of these mAbs inhibit infection of authentic SARS-CoV-2 virus, with most neutralizing mAbs recognizing the receptor-binding domain (RBD) of S. This work defines sites of vulnerability on SARS-CoV-2 S and demonstrates the speed and robustness of advanced antibody discovery platforms. A platform for rapid antibody discovery enabled the isolation of hundreds of human monoclonal antibodies against SARS-CoV-2 and the prioritization of potent antibody candidates for clinical trials in patients with COVID-19.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the causative agent of the novel viral disease COVID-19. With no approved therapies, this pandemic illustrates the urgent need for broad-spectrum antiviral countermeasures against SARS-CoV-2 and future emerging CoVs. We report that remdesivir (RDV) potently inhibits SARS-CoV-2 replication in human lung cells and primary human airway epithelial cultures (EC50 = 0.01 μM). Weaker activity is observed in Vero E6 cells (EC50 = 1.65 μM) because of their low capacity to metabolize RDV. To rapidly evaluate in vivo efficacy, we engineered a chimeric SARS-CoV encoding the viral target of RDV, the RNA-dependent RNA polymerase of SARS-CoV-2. In mice infected with the chimeric virus, therapeutic RDV administration diminishes lung viral load and improves pulmonary function compared with vehicle-treated animals. These data demonstrate that RDV is potently active against SARS-CoV-2 in vitro and in vivo, supporting its further clinical testing for treatment of COVID-19.