Abstract Proteases play key roles in viral replication cycles. They can provide cleavage maturation of viral glycoproteins, processing of viral polyproteins, or disassembly of viral capsids. Thus, proteases constitute ideal targets for antiviral intervention – pharmaceutically, by small molecule inhibitors, or naturally, by host immune responses. Indeed, we and others have shown that individual members of the Serine protease inhibitor (SERPIN) family have specific antiviral function by blocking proteolytic steps inherent to viral replication cycles. Whether additional members of the large SERPIN family possess antiviral activity and whether SERPINs function as part of the antiviral cell-intrinsic immune response, is currently unknown. Here, we found that specific SERPINs are produced upon infection with clinically relevant respiratory viruses in vitro and in vivo , and in concert with classical interferon-stimulated genes. We next developed a structure-based in silico screen to uncover non-canonical SERPIN-protease pairs. We identified several SERPINs with potential antiviral function, including: SERPINE1 targeting cathepsin L, required for SARS-CoV-2 entry; SERPINB8 targeting furin, required for glycoprotein maturation cleavage of numerous viruses; and SERPINB2 targeting adenovirus protease, which suggests the first direct-acting antiviral SERPIN. Our study demonstrates how proteolysis is modulated for antiviral defense and how this process could inform antiviral targets against clinically relevant respiratory pathogens.

SARS-CoV-2, a novel coronavirus (CoV), has recently emerged causing an ongoing outbreak of viral pneumonia around the world. While genetically distinct from the original SARS-CoV, both group 2B CoVs share similar genome organization and origins to coronaviruses harbored in bats. Importantly, initial guidance has used insights from SARS-CoV infection to inform treatment and public health strategies. In this report, we evaluate type-I Interferon (IFN-I) sensitivity of SARS-CoV-2 relative to the original SARS-CoV. Our results indicate that while SARS-CoV-2 maintains similar viral replication kinetics to SARS-CoV in Vero cell, the novel CoV is much more sensitive to IFN-I pretreatment. Examining transcriptional factor activation and interferon stimulated gene (ISG) induction, SARS-CoV-2 in the context of type I IFN induces phosphorylation of STAT1 and increased ISG proteins. In contrast, the original SARS-CoV has no evidence for STAT1 phosphorylation or ISG protein increases even in the presence of type I IFN pretreatment. Next, we examined IFN competent Calu3 2B4 cells finding SARS-CoV-2 had reduced viral replication relative to SARS-CoV and induced STAT1 phosphorylation late during infection. Finally, we examined homology between SARS-CoV and SARS-CoV-2 in viral proteins shown to be interferon antagonist. The absence of open reading frame (ORF) 3b and significant changes to ORF6 suggest the two key IFN antagonists may not maintain equivalent function in SARS-CoV-2. Together, the results identify key differences in susceptibility to the IFN-I response between SARS-CoV and SARS-CoV-2. that could help inform disease progression, treatment options, and animal model development.Importance With the ongoing outbreak of COVID-19 disease, differences between the SARS-CoV-2 and the original SARS-CoV could be leveraged to inform disease progression and eventual treatment options. In addition, these findings could have key implications for animal model development as well as further research into how SARS-CoV-2 modulates the type I IFN response early during infection.### Competing Interest Statement

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the etiological agent of Coronavirus Disease 2019 (COVID-19). There is a dire need for novel effective antivirals to treat COVID-19, as the only approved direct-acting antiviral to date is remdesivir, targeting the viral polymerase complex. A potential alternate target in the viral life cycle is the main SARS-CoV-2 protease 3CL pro (M pro ). The drug candidate PF-00835231 is the active compound of the first anti-3CL pro regimen in clinical trials. Here, we perform a comparative analysis of PF-00835231, the pre-clinical 3CL pro inhibitor GC-376, and the polymerase inhibitor remdesivir, in alveolar basal epithelial cells modified to express ACE2 (A549 +ACE2 cells). We find PF-00835231 with at least similar or higher potency than remdesivir or GC-376. A time-of-drug-addition approach delineates the timing of early SARS-CoV-2 life cycle steps in A549 +ACE2 cells and validates PF-00835231’s early time of action. In a model of the human polarized airway epithelium, both PF-00835231 and remdesivir potently inhibit SARS-CoV-2 at low micromolar concentrations. Finally, we show that the efflux transporter P-glycoprotein, which was previously suggested to diminish PF-00835231’s efficacy based on experiments in monkey kidney Vero E6 cells, does not negatively impact PF-00835231 efficacy in either A549 +ACE2 cells or human polarized airway epithelial cultures. Thus, our study provides in vitro evidence for the potential of PF-00835231 as an effective SARS-CoV-2 antiviral and addresses concerns that emerged based on prior studies in non-human in vitro models. Importance The arsenal of SARS-CoV-2 specific antiviral drugs is extremely limited. Only one direct-acting antiviral drug is currently approved, the viral polymerase inhibitor remdesivir, and it has limited efficacy. Thus, there is a substantial need to develop additional antiviral compounds with minimal side effects and alternate viral targets. One such alternate target is its main protease, 3CL pro (M pro ), an essential component of the SARS-CoV-2 life cycle processing the viral polyprotein into the components of the viral polymerase complex. In this study, we characterize a novel antiviral drug, PF-00835231, which is the active component of the first-in-class 3CL pro -targeting regimen in clinical trials. Using 3D in vitro models of the human airway epithelium, we demonstrate the antiviral potential of PF-00835231 for inhibition of SARS-CoV-2.

Abstract Understanding antibody responses to SARS-CoV-2 is indispensable for the development of containment measures to overcome the current COVID-19 pandemic. Here, we determine the ability of sera from 101 recovered healthcare workers to neutralize both authentic SARS-CoV-2 and SARS-CoV-2 pseudotyped virus and address their antibody titers against SARS-CoV-2 nucleoprotein and spike receptor-binding domain. Interestingly, the majority of individuals have low neutralization capacity and only 6% of the healthcare workers showed high neutralizing titers against both authentic SARS-CoV-2 virus and the pseudotyped virus. We found the antibody response to SARS-CoV-2 infection generates antigen-specific isotypes as well as a diverse combination of antibody isotypes, with high titers of IgG, IgM and IgA against both antigens correlating with neutralization capacity. Importantly, we found that neutralization correlated with antibody titers as quantified by ELISA. This suggests that an ELISA assay can be used to determine seroneutralization potential. Altogether, our work provides a snapshot of the SARS-CoV-2 neutralizing antibody response in recovered healthcare workers and provides evidence that possessing multiple antibody isotypes may play an important role in SARS-CoV-2 neutralization.

Extracellular vesicles of endosomal origin, exosomes, mediate intercellular communication by transporting substrates with a variety of functions related to tissue homeostasis and disease. Their diagnostic and therapeutic potential has been recognized for diseases such as cancer in which signaling defects are prominent. However, it is unclear to what extent exosomes and their cargo inform the progression of infectious diseases. We recently defined a subset of exosomes termed defensosomes that are mobilized during bacterial infection in a manner dependent on autophagy proteins. Through incorporating protein receptors on their surface, defensosomes mediated host defense by binding and inhibiting pore-forming toxins secreted by bacterial pathogens. Given this capacity to serve as decoys that interfere with surface protein interactions, we investigated the role of defensosomes during infection by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), the etiological agent of COVID-19. Consistent with a protective function, exosomes containing high levels of the viral receptor ACE2 in bronchioalveolar lavage fluid from critically ill COVID-19 patients was associated with reduced ICU and hospitalization times. We found ACE2+ exosomes were induced by SARS-CoV-2 infection and activation of viral sensors in cell culture, which required the autophagy protein ATG16L1, defining these as defensosomes. We further demonstrate that ACE2+ defensosomes directly bind and block viral entry. These findings suggest that defensosomes may contribute to the antiviral response against SARS-CoV-2 and expand our knowledge on the regulation and effects of extracellular vesicles during infection.

The airway epithelium is composed of diverse cell types with specialized functions that mediate homeostasis and protect against respiratory pathogens. Human airway epithelial cultures at air-liquid interface (HAE) are a physiologically relevant in vitro model of this heterogeneous tissue, enabling numerous studies of airway disease 1â€"7 . HAE cultures are classically derived from primary epithelial cells, the relatively limited passage capacity of which can limit experimental methods and study designs. BCi-NS1.1, a previously described and widely used basal cell line engineered to express hTERT, exhibits extended passage lifespan while retaining capacity for differentiation to HAE 5 . However, gene expression and innate immune function in HAE derived from BCi-NS1.1 versus primary cells have not been fully characterized. Here, combining single cell RNA-Seq (scRNA-Seq), immunohistochemistry, and functional experimentation, we confirm at high resolution that BCi-NS1.1 and primary HAE cultures are largely similar in morphology, cell type composition, and overall transcriptional patterns. While we observed cell-type specific expression differences of several interferon stimulated genes in BCi-NS1.1 HAE cultures, we did not observe significant differences in susceptibility to infection with influenza A virus and Staphylococcus aureus . Taken together, our results further support BCi-NS1.1-derived HAE cultures as a valuable tool for the study of airway infectious disease.

SARS-CoV-2 poses a public health threat for which therapeutic agents are urgently needed. Herein, we report that high-throughput microfluidic screening of antigen-specific B-cells led to the identification of LY-CoV555, a potent anti-spike neutralizing antibody from a convalescent COVID-19 patient. Biochemical, structural, and functional characterization revealed high-affinity binding to the receptor-binding domain, ACE2 binding inhibition, and potent neutralizing activity. In a rhesus macaque challenge model, prophylaxis doses as low as 2.5 mg/kg reduced viral replication in the upper and lower respiratory tract. These data demonstrate that high-throughput screening can lead to the identification of a potent antiviral antibody that protects against SARS-CoV-2 infection.LY-CoV555, an anti-spike antibody derived from a convalescent COVID-19 patient, potently neutralizes SARS-CoV-2 and protects the upper and lower airways of non-human primates against SARS-CoV-2 infection.

The transcription of interferon-stimulated genes (ISGs) is classically triggered via activation of the JAK-STAT pathway, and together, ISGs raise a multifaceted antiviral barrier. An increasing body of evidence reports the existence of additional, non-canonical pathways and transcription factors that coordinate ISG expression. Detailed knowledge of how heterogenous mechanisms regulate ISG expression is crucial for the rational design of drugs targeting the type I interferon response. Here, we characterize the first ETS transcription factor family member as a regulator of non-canonical ISG expression: E74-like ETS transcription factor 1 (ELF1). Using high-content microscopy to quantify viral infection over time, we found that ELF1, itself an ISG, inhibits eight diverse RNA and DNA viruses uniquely at multi-cycle replication. ELF1 did not regulate expression of type I or II interferons, and ELF1's antiviral effect was not abolished by the absence of STAT1 or by inhibition of JAK phosphorylation. Accordingly, comparative expression analyses by RNAseq revealed that the ELF1 transcriptional program is distinct from, and delayed with respect to, the immediate interferon response. Finally, knockdown experiments demonstrated that ELF1 is a critical component of the antiviral interferon response in vitro and in vivo. Our findings reveal a previously overlooked mechanism of non-canonical ISG regulation that both amplifies and prolongs the initial interferon response by expressing broadly antiviral restriction factors.