The ongoing pandemic of COVID-19, caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), underscores the urgency to develop experimental systems for studying this virus and identifying countermeasures. We report a reverse genetic system for SARS-CoV-2. Seven complimentary DNA (cDNA) fragments spanning the SARS-CoV-2 genome were assembled into a full-genome cDNA. RNA transcribed from the full-genome cDNA was highly infectious after electroporation into cells, producing 2.9 × 106 plaque-forming unit (PFU)/mL of virus. Compared with a clinical isolate, the infectious-clone-derived SARS-CoV-2 (icSARS-CoV-2) exhibited similar plaque morphology, viral RNA profile, and replication kinetics. Additionally, icSARS-CoV-2 retained engineered molecular markers and did not acquire other mutations. We generated a stable mNeonGreen SARS-CoV-2 (icSARS-CoV-2-mNG) by introducing this reporter gene into ORF7 of the viral genome. icSARS-CoV-2-mNG was successfully used to evaluate the antiviral activities of interferon (IFN). Collectively, the reverse genetic system and reporter virus provide key reagents to study SARS-CoV-2 and develop countermeasures.

Abstract The etiologic agent of an outbreak of pneumonia in Wuhan, China, was identified as severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 in January 2020. A patient in the United States was given a diagnosis of infection with this virus by the state of Washington and the US Centers for Disease Control and Prevention on January 20, 2020. We isolated virus from nasopharyngeal and oropharyngeal specimens from this patient and characterized the viral sequence, replication properties, and cell culture tropism. We found that the virus replicates to high titer in Vero-CCL81 cells and Vero E6 cells in the absence of trypsin. We also deposited the virus into 2 virus repositories, making it broadly available to the public health and research communities. We hope that open access to this reagent will expedite development of medical countermeasures.

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.

SARS coronavirus (SCoV) nonstructural protein (nsp) 1, a potent inhibitor of host gene expression, possesses a unique mode of action: it binds to 40S ribosomes to inactivate their translation functions and induces host mRNA degradation. Our previous study demonstrated that nsp1 induces RNA modification near the 5'-end of a reporter mRNA having a short 5' untranslated region and RNA cleavage in the encephalomyocarditis virus internal ribosome entry site (IRES) region of a dicistronic RNA template, but not in those IRES elements from hepatitis C or cricket paralysis viruses. By using primarily cell-free, in vitro translation systems, the present study revealed that the nsp1 induced endonucleolytic RNA cleavage mainly near the 5' untranslated region of capped mRNA templates. Experiments using dicistronic mRNAs carrying different IRESes showed that nsp1 induced endonucleolytic RNA cleavage within the ribosome loading region of type I and type II picornavirus IRES elements, but not that of classical swine fever virus IRES, which is characterized as a hepatitis C virus-like IRES. The nsp1-induced RNA cleavage of template mRNAs exhibited no apparent preference for a specific nucleotide sequence at the RNA cleavage sites. Remarkably, SCoV mRNAs, which have a 5' cap structure and 3' poly A tail like those of typical host mRNAs, were not susceptible to nsp1-mediated RNA cleavage and importantly, the presence of the 5'-end leader sequence protected the SCoV mRNAs from nsp1-induced endonucleolytic RNA cleavage. The escape of viral mRNAs from nsp1-induced RNA cleavage may be an important strategy by which the virus circumvents the action of nsp1 leading to the efficient accumulation of viral mRNAs and viral proteins during infection.

To determine if a hypersensitive-type lung pathology might occur when mice were given an inactivated MERS-CoV vaccine and challenged with infectious virus as was seen with SARS-CoV vaccines, we prepared and vaccinated mice with an inactivated MERS-CoV vaccine. Neutralizing antibody was induced by vaccine with and without adjuvant and lung virus was reduced in vaccinated mice after challenge. Lung mononuclear infiltrates occurred in all groups after virus challenge but with increased infiltrates that contained eosinophils and increases in the eosinophil promoting IL-5 and IL-13 cytokines only in the vaccine groups. Inactivated MERS-CoV vaccine appears to carry a hypersensitive-type lung pathology risk from MERS-CoV infection that is similar to that found with inactivated SARS-CoV vaccines from SARS-CoV infection.

Low micromolar, non-cytotoxic concentrations of cyclosporin A (CsA) strongly affected the replication of severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV), human coronavirus 229E and mouse hepatitis virus in cell culture, as was evident from the strong inhibition of GFP reporter gene expression and a reduction of up to 4 logs in progeny titres. Upon high-multiplicity infection, CsA treatment rendered SARS-CoV RNA and protein synthesis almost undetectable, suggesting an early block in replication. siRNA-mediated knockdown of the expression of the prominent CsA targets cyclophilin A and B did not affect SARS-CoV replication, suggesting either that these specific cyclophilin family members are dispensable or that the reduced expression levels suffice to support replication.

ABSTRACT Severe acute respiratory syndrome (SARS) coronavirus nonstructural protein 1 (nsp1) binds to the 40S ribosomal subunit and inhibits translation, and it also induces a template-dependent endonucleolytic cleavage of host mRNAs. nsp1 inhibits the translation of cap-dependent and internal ribosome entry site (IRES)-driven mRNAs, including SARS coronavirus mRNAs, hepatitis C virus (HCV), and cricket paralysis virus (CrPV) IRES-driven mRNAs that are resistant to nsp1-induced RNA cleavage. We used an nsp1 mutant, nsp1-CD, lacking the RNA cleavage function, to delineate the mechanism of nsp1-mediated translation inhibition and identify the translation step(s) targeted by nsp1. nsp1 and nsp1-CD had identical inhibitory effects on mRNA templates that are resistant to nsp1-induced RNA cleavage, implying the validity of using nsp1-CD to dissect the translation inhibition function of nsp1. We provide evidence for a novel mode of action of nsp1. nsp1 inhibited the translation initiation step by targeting at least two separate stages: 48S initiation complex formation and the steps involved in the formation of the 80S initiation complex from the 48S complex. nsp1 had a differential, mRNA template-dependent, inhibitory effect on 48S and 80S initiation complex formation. nsp1 inhibited different steps of translation initiation on CrPV and HCV IRES, both of which initiate translation via an IRES-40S binary complex intermediate; nsp1 inhibited binary complex formation on CrPV IRES and 48S complex formation on HCV IRES. Collectively, the data revealed that nsp1 inhibited translation by exerting its effect on multiple stages of translation initiation, depending on the mechanism of initiation operating on the mRNA template.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the cause of the ongoing coronavirus disease 19 (COVID-19) pandemic. Despite its urgency, we still do not fully understand the molecular basis of SARS-CoV-2 pathogenesis and its ability to antagonize innate immune responses. SARS-CoV-2 leads to shutoff of cellular protein synthesis and over-expression of nsp1, a central shutoff factor in coronaviruses, inhibits cellular gene translation. However, the diverse molecular mechanisms nsp1 employs as well as its functional importance in infection are still unresolved. By overexpressing various nsp1 mutants and generating a SARS-CoV-2 mutant in which nsp1 does not bind ribosomes, we untangle the effects of nsp1. We uncover that nsp1, through inhibition of translation and induction of mRNA degradation, is the main driver of host shutoff during SARS-CoV-2 infection. Furthermore, we find the propagation of nsp1 mutant virus is inhibited specifically in cells with intact interferon (IFN) response as well as in-vivo , in infected hamsters, and this attenuation is associated with stronger induction of type I IFN response. This illustrates that nsp1 shutoff activity has an essential role mainly in counteracting the IFN response. Overall, our results reveal the multifaceted approach nsp1 uses to shut off cellular protein synthesis and uncover the central role it plays in SARS-CoV-2 pathogenesis, explicitly through blockage of the IFN response.