SARS-CoV-2 mRNA vaccination induces robust humoral and cellular immunity in the circulation; however, it is currently unknown whether it elicits effective immune responses in the respiratory tract, particularly against variants of concern (VOCs), including Omicron. We compared the SARS-CoV-2 S-specific total and neutralizing antibody responses, and B and T cell immunity, in the bronchoalveolar lavage fluid (BAL) and blood of COVID-19-vaccinated individuals and hospitalized patients. Vaccinated individuals had significantly lower levels of neutralizing antibody against D614G, Delta (B.1.617.2), and Omicron BA.1.1 in the BAL compared with COVID-19 convalescents despite robust S-specific antibody responses in the blood. Furthermore, mRNA vaccination induced circulating S-specific B and T cell immunity, but in contrast to COVID-19 convalescents, these responses were absent in the BAL of vaccinated individuals. Using a mouse immunization model, we demonstrated that systemic mRNA vaccination alone induced weak respiratory mucosal neutralizing antibody responses, especially against SARS-CoV-2 Omicron BA.1.1 in mice; however, a combination of systemic mRNA vaccination plus mucosal adenovirus-S immunization induced strong neutralizing antibody responses not only against the ancestral virus but also the Omicron BA.1.1 variant. Together, our study supports the contention that the current COVID-19 vaccines are highly effective against severe disease development, likely through recruiting circulating B and T cell responses during reinfection, but offer limited protection against breakthrough infection, especially by the Omicron sublineage. Hence, mucosal booster vaccination is needed to establish robust sterilizing immunity in the respiratory tract against SARS-CoV-2, including infection by the Omicron sublineage and future VOCs.

Significance It is currently unknown if SARS-CoV-2 can spread through cell–cell contacts, and if so, the underlying mechanisms and implications. In this work, we show, by using lentiviral pseudotyped virus, that the spike protein of SARS-CoV-2 mediates the viral cell-to-cell transmission, with an efficiency higher than that of SARS-CoV. We also find that cell–cell fusion contributes to cell-to-cell transmission, yet ACE2 is not absolutely required. While the authentic variants of concern (VOCs) B.1.1.7 (alpha) and B.1.351 (beta) differ in cell-free infectivity from wild type and from each other, these VOCs have similar cell-to-cell transmission capability and exhibit differential sensitivity to neutralization by vaccinee sera. Results from our study will contribute to a better understanding of SARS-CoV-2 spread and pathogenesis.

The waning efficacy of SARS-CoV-2 vaccines, combined with the continued emergence of variants resistant to vaccine-induced immunity, has reignited debate over the need for booster vaccine doses. To address this, we examined the neutralizing antibody response against the spike protein of five major SARS-CoV-2 variants, D614G, Alpha (B.1.1.7), Beta (B.1.351), Delta (B.1.617.2), and Omicron (B.1.1.529), in health care workers (HCWs) vaccinated with SARS-CoV-2 mRNA vaccines. Serum samples were collected before vaccination, 3 weeks after first vaccination, 1 month after second vaccination, and 6 months after second vaccination. Minimal neutralizing antibody titers were detected against Omicron pseudovirus at all four time points, including for most patients who had SARS-CoV-2 breakthrough infections. Neutralizing antibody titers against all other variant spike protein–bearing pseudoviruses declined markedly from 1 to 6 months after the second mRNA vaccine dose, although SARS-CoV-2 infection boosted vaccine responses. In addition, mRNA-1273–vaccinated HCWs exhibited about twofold higher neutralizing antibody titers than BNT162b2-vaccinated HCWs. Together, these results demonstrate possible waning of antibody-mediated protection against SARS-CoV-2 variants that is dependent on prior infection status and the mRNA vaccine received. They also show that the Omicron variant spike protein can almost completely escape from neutralizing antibodies elicited in recipients of only two mRNA vaccine doses.

ABSTRACT Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is a highly transmissible coronavirus responsible for the global COVID-19 pandemic. Herein we provide evidence that SARS-CoV-2 spreads through cell-cell contact in cultures, mediated by the spike glycoprotein. SARS-CoV-2 spike is more efficient in facilitating cell-to-cell transmission than SARS-CoV spike, which reflects, in part, their differential cell-cell fusion activity. Interestingly, treatment of cocultured cells with endosomal entry inhibitors impairs cell-to-cell transmission, implicating endosomal membrane fusion as an underlying mechanism. Compared with cell-free infection, cell-to-cell transmission of SARS-CoV-2 is refractory to inhibition by neutralizing antibody or convalescent sera of COVID-19 patients. While ACE2 enhances cell-to-cell transmission, we find that it is not absolutely required. Notably, despite differences in cell-free infectivity, the variants of concern (VOC) B.1.1.7 and B.1.351 have similar cell-to-cell transmission capability. Moreover, B.1.351 is more resistant to neutralization by vaccinee sera in cell-free infection, whereas B.1.1.7 is more resistant to inhibition by vaccine sera in cell-to-cell transmission. Overall, our study reveals critical features of SARS-CoV-2 spike-mediated cell-to-cell transmission, with important implications for a better understanding of SARS-CoV-2 spread and pathogenesis.

Abstract The waning efficacy of SARS-CoV-2 vaccines combined with the continued emergence of variants resistant to vaccine-induced immunity has reignited debate over the need for booster vaccines. To address this, we examined the neutralizing antibody (nAb) response against four major SARS-CoV-2 variants—D614G, Alpha (B.1.1.7), Beta (B.1.351), and Delta (B.1.617.2)—in health care workers (HCWs) at pre-vaccination, post-first and post-second mRNA vaccine dose, and six months post-second mRNA vaccine dose. Neutralizing antibody titers against all variants, especially the Delta variant, declined dramatically from four weeks to six months post-second mRNA vaccine dose. Notably, SARS-CoV-2 infection enhanced vaccine durability, and mRNA-1273 vaccinated HCWs also exhibited ~2-fold higher nAb titers than BNT162b2 vaccinated HCWs. Together these results demonstrate possible waning of protection from infection against SARS-CoV-2 Delta variant based on decreased nAb titers, dependent on COVID-19 status and the mRNA vaccine received.

The rapid spread and strong immune evasion of the SARS-CoV-2 Omicron subvariants has raised serious concerns for the global COVID-19 pandemic. These new variants exhibit reduced fusogenicity and increased endosomal entry pathway utilization compared to the ancestral D614G variant, the underlying mechanisms of which remain elusive. Here we show that the C-terminal S1 mutations of the BA.1.1 subvariant, H655Y and T547K, critically govern the low fusogenicity of Omicron. Notably, H655Y also dictates the enhanced endosome entry pathway utilization. Mechanistically, T547K and H655Y likely stabilize the spike trimer conformation, as shown by increased molecular interactions in structural modeling as well as reduced S1 shedding. Importantly, the H655Y mutation also determines the low fusogenicity and high dependence on the endosomal entry pathway of other Omicron subvariants, including BA.2, BA.2.12.1, BA.4/5 and BA.2.75. These results uncover mechanisms governing Omicron subvariant entry and provide insights into altered Omicron tissue tropism and pathogenesis.

SUMMARY The COVID-19 pandemic persists as a global health crisis for which curative treatment has been elusive. Development of effective and safe anti-SARS-CoV-2 therapies remains an urgent need. SARS-CoV-2 entry into cells requires specific host proteases including TMPRSS2 and Cathepsin L (Ctsl) 1–3 , but there has been no reported success in inhibiting host proteases for treatment of SARS-CoV-2 pathogenesis in vivo . Here we have developed a lung Ctsl mRNA-targeted, CRISPR/Cas13d-based nanoparticle therapy to curb fatal SARS-CoV-2 infection in a mouse model. We show that this nanotherapy can decrease lung Ctsl expression in normal mice efficiently, specifically, and safely. Importantly, this lung-selective Ctsl -targeted nanotherapy significantly extended the survival of lethally SARS-CoV-2 infected mice by decreasing lung virus burden, reducing expression of pro-inflammatory cytokines/chemokines, and diminishing the severity of pulmonary interstitial inflammation. Additional in vitro analyses demonstrated that Cas13d-mediated Ctsl knockdown inhibited infection mediated by the spike protein of SARS-CoV-1, SARS-CoV-2, and more importantly, the authentic SARS-CoV-2 B.1.617.2 Delta variant, regardless of TMPRSS2 expression status. Our results demonstrate the efficacy and safety of a lung-selective, Ctsl -targeted nanotherapy against infection by SARS-CoV-2 and likely other emerging coronaviruses, forming a basis for investigation of this approach in clinical trials.

ABSTRACT Vaccines against SARS-CoV-2 that induce mucosal immunity capable of preventing infection and disease remain urgently needed. We show that intramuscular priming of mice with an alum and BcfA-adjuvanted Spike subunit vaccine, followed by a BcfA-adjuvanted mucosal booster, generated Th17 polarized tissue resident CD4+ T cells, and mucosal and serum antibodies. The serum antibodies efficiently neutralized SARS-CoV-2 and its Delta variant, suggesting cross-protection against a recent variant of concern (VOC). Immunization with this heterologous vaccine prevented weight loss following challenge with mouse-adapted SARS-CoV-2 and reduced viral replication in the nose and lungs. Histopathology showed a strong leukocyte and polymorphonuclear (PMN) cell infiltrate without epithelial damage in mice immunized with BcfA-containing vaccines. In contrast, viral load was not reduced in the upper respiratory tract of IL-17 knockout mice immunized with the same formulation, suggesting that the Th17 polarized T cell responses are critical for protection. We show that vaccines adjuvanted with alum and BcfA, delivered through a heterologous prime-pull regimen, protect against SARS-CoV-2 infection without causing enhanced respiratory disease. SIGNIFICANCE There remains a need for SARS CoV-2 booster vaccines that generate mucosal immunity and prevent transmission. We show that systemic priming followed by a mucosal booster with a BcfA-adjuvanted subunit vaccine generates neutralizing antibodies and Th17 polarized systemic and tissue-resident immune responses that provide sterilizing immunity against wildtype SARS CoV-2, and a variant of concern. Importantly, in contrast to alum alone, the addition of BcfA prevents respiratory pathology. These results suggest that a BcfA-adjuvanted mucosal booster may elicit mucosal immunity in individuals previously immunized systemically with approved vaccines. This foundational study in mice sets the stage for testing our vaccine regimen in larger animal models as a booster vaccine.

Abstract 5-Methylcytosine (m 5 C) is a widespread post-transcriptional RNA modification and is reported to be involved in manifold cellular responses and biological processes through regulating RNA metabolism. However, its regulatory role in antiviral innate immunity has not yet been elucidated. Here, we report that NSUN2, a typical m 5 C methyltransferase, can negatively regulate type I interferon responses during viral infection. NSUN2 specifically mediates m 5 C methylation of IRF3 mRNA and accelerates its degradation, resulting in low levels of IRF3 and downstream IFN-β production. Knockout or knockdown of NSUN2 could enhance type I interferon responses and downstream ISG expression after viral infection in vitro . And in vivo , the antiviral innate responses is more dramatically enhanced in Nsun2 +/− mice than in Nsun2 +/+ mice. Four highly m 5 C methylated cytosines in IRF3 mRNA were identified, and their mutation could enhance the cellular IRF3 mRNA levels. Moreover, infection with Sendai virus (SeV), vesicular stomatitis virus (VSV), herpes simplex virus 1 (HSV-1), Zika virus (ZIKV), or especially SARS-CoV-2 resulted in a reduction in endogenous levels of NSUN2. Together, our findings reveal that NSUN2 serves as a negative regulator of interferon response by accelerating the fast turnover of IRF3 mRNA, while endogenous NSUN2 levels decrease after viral infection to boost antiviral responses for the effective elimination of viruses. Our results suggest a paradigm of innate antiviral immune responses ingeniously involving NSUN2-mediated m 5 C modification.

The SARS-CoV-2 B.1.1.529/Omicron variant was first characterized in South Africa and was swiftly designated a variant of concern 1 . Of great concern is its high number of mutations, including 30-40 mutations in the virus spike (S) protein compared to 7-10 for other variants. Some of these mutations have been shown to enhance escape from vaccine-induced immunity, while others remain uncharacterized. Additionally, reports of increasing frequencies of the Omicron variant may indicate a higher rate of transmission compared to other variants. However, the transmissibility of Omicron and its degree of resistance to vaccine-induced immunity remain unclear. Here we show that Omicron exhibits significant immune evasion compared to other variants, but antibody neutralization is largely restored by mRNA vaccine booster doses. Additionally, the Omicron spike exhibits reduced receptor binding, cell-cell fusion, S1 subunit shedding, but increased cell-to-cell transmission, and homology modeling indicates a more stable closed S structure. These findings suggest dual immune evasion strategies for Omicron, due to altered epitopes and reduced exposure of the S receptor binding domain, coupled with enhanced transmissibility due to enhanced S protein stability. These results highlight the importance of booster vaccine doses for maintaining protection against the Omicron variant, and provide mechanistic insight into the altered functionality of the Omicron spike protein.