Abstract The emergence of the Omicron variant of SARS-CoV-2 is an urgent global health concern 1 . In this study, our statistical modelling suggests that Omicron has spread more rapidly than the Delta variant in several countries including South Africa. Cell culture experiments showed Omicron to be less fusogenic than Delta and than an ancestral strain of SARS-CoV-2. Although the spike (S) protein of Delta is efficiently cleaved into two subunits, which facilitates cell–cell fusion 2,3 , the Omicron S protein was less efficiently cleaved compared to the S proteins of Delta and ancestral SARS-CoV-2. Furthermore, in a hamster model, Omicron showed decreased lung infectivity and was less pathogenic compared to Delta and ancestral SARS-CoV-2. Our multiscale investigations reveal the virological characteristics of Omicron, including rapid growth in the human population, lower fusogenicity and attenuated pathogenicity.

Abstract During the current coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, a variety of mutations have accumulated in the viral genome of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and, at the time of writing, four variants of concern are considered to be potentially hazardous to human society 1 . The recently emerged B.1.617.2/Delta variant of concern is closely associated with the COVID-19 surge that occurred in India in the spring of 2021 (ref. 2 ). However, the virological properties of B.1.617.2/Delta remain unclear. Here we show that the B.1.617.2/Delta variant is highly fusogenic and notably more pathogenic than prototypic SARS-CoV-2 in infected hamsters. The P681R mutation in the spike protein, which is highly conserved in this lineage, facilitates cleavage of the spike protein and enhances viral fusogenicity. Moreover, we demonstrate that the P681R-bearing virus exhibits higher pathogenicity compared with its parental virus. Our data suggest that the P681R mutation is a hallmark of the virological phenotype of the B.1.617.2/Delta variant and is associated with enhanced pathogenicity.

Many SARS-CoV-2 variants with naturally acquired mutations have emerged. These mutations can affect viral properties such as infectivity and immune resistance. Although the sensitivity of naturally occurring SARS-CoV-2 variants to humoral immunity has been investigated, sensitivity to human leukocyte antigen (HLA)-restricted cellular immunity remains largely unexplored. Here, we demonstrate that two recently emerging mutations in the receptor-binding domain of the SARS-CoV-2 spike protein, L452R (in B.1.427/429 and B.1.617) and Y453F (in B.1.1.298), confer escape from HLA-A24-restricted cellular immunity. These mutations reinforce affinity toward the host entry receptor ACE2. Notably, the L452R mutation increases spike stability, viral infectivity, viral fusogenicity, and thereby promotes viral replication. These data suggest that HLA-restricted cellular immunity potentially affects the evolution of viral phenotypes and that a further threat of the SARS-CoV-2 pandemic is escape from cellular immunity.

Soon after the emergence and global spread of the SARS-CoV-2 Omicron lineage BA.1, another Omicron lineage, BA.2, began outcompeting BA.1. The results of statistical analysis showed that the effective reproduction number of BA.2 is 1.4-fold higher than that of BA.1. Neutralization experiments revealed that immunity induced by COVID vaccines widely administered to human populations is not effective against BA.2, similar to BA.1, and that the antigenicity of BA.2 is notably different from that of BA.1. Cell culture experiments showed that the BA.2 spike confers higher replication efficacy in human nasal epithelial cells and is more efficient in mediating syncytia formation than the BA.1 spike. Furthermore, infection experiments using hamsters indicated that the BA.2 spike-bearing virus is more pathogenic than the BA.1 spike-bearing virus. Altogether, the results of our multiscale investigations suggest that the risk of BA.2 to global health is potentially higher than that of BA.1.

In late 2022, SARS-CoV-2 Omicron subvariants have become highly diversified, and XBB is spreading rapidly around the world. Our phylogenetic analyses suggested that XBB emerged through the recombination of two cocirculating BA.2 lineages, BJ.1 and BM.1.1.1 (a progeny of BA.2.75), during the summer of 2022. XBB.1 is the variant most profoundly resistant to BA.2/5 breakthrough infection sera to date and is more fusogenic than BA.2.75. The recombination breakpoint is located in the receptor-binding domain of spike, and each region of the recombinant spike confers immune evasion and increases fusogenicity. We further provide the structural basis for the interaction between XBB.1 spike and human ACE2. Finally, the intrinsic pathogenicity of XBB.1 in male hamsters is comparable to or even lower than that of BA.2.75. Our multiscale investigation provides evidence suggesting that XBB is the first observed SARS-CoV-2 variant to increase its fitness through recombination rather than substitutions.

After the global spread of the SARS-CoV-2 Omicron BA.2, some BA.2 subvariants, including BA.2.9.1, BA.2.11, BA.2.12.1, BA.4, and BA.5, emerged in multiple countries. Our statistical analysis showed that the effective reproduction numbers of these BA.2 subvariants are greater than that of the original BA.2. Neutralization experiments revealed that the immunity induced by BA.1/2 infections is less effective against BA.4/5. Cell culture experiments showed that BA.2.12.1 and BA.4/5 replicate more efficiently in human alveolar epithelial cells than BA.2, and particularly, BA.4/5 is more fusogenic than BA.2. We further provided the structure of the BA.4/5 spike receptor-binding domain that binds to human ACE2 and considered how the substitutions in the BA.4/5 spike play roles in ACE2 binding and immune evasion. Moreover, experiments using hamsters suggested that BA.4/5 is more pathogenic than BA.2. Our multiscale investigations suggest that the risk of BA.2 subvariants, particularly BA.4/5, to global health is greater than that of original BA.2.

Abstract After the global spread of SARS-CoV-2 Omicron BA.2 lineage, some BA.2-related variants that acquire mutations in the L452 residue of spike protein, such as BA.2.9.1 and BA.2.13 (L452M), BA.2.12.1 (L452Q), and BA.2.11, BA.4 and BA.5 (L452R), emerged in multiple countries. Our statistical analysis showed that the effective reproduction numbers of these L452R/M/Q-bearing BA.2-related Omicron variants are greater than that of the original BA.2. Neutralization experiments revealed that the immunity induced by BA.1 and BA.2 infections is less effective against BA.4/5. Cell culture experiments showed that BA.2.12.1 and BA.4/5 replicate more efficiently in human alveolar epithelial cells than BA.2, and particularly, BA.4/5 is more fusogenic than BA.2. Furthermore, infection experiments using hamsters indicated that BA.4/5 is more pathogenic than BA.2. Altogether, our multiscale investigations suggest that the risk of L452R/M/Q-bearing BA.2-related Omicron variants, particularly BA.4 and BA.5, to global health is potentially greater than that of original BA.2. Highlights Spike L452R/Q/M mutations increase the effective reproduction number of BA.2 BA.4/5 is resistant to the immunity induced by BA.1 and BA.2 infections BA.2.12.1 and BA.4/5 more efficiently spread in human lung cells than BA.2 BA.4/5 is more pathogenic than BA.2 in hamsters

Abstract Recent studies have revealed the unique virological characteristics of Omicron, the newest SARS-CoV-2 variant of concern, such as pronounced resistance to vaccine-induced neutralizing antibodies, less efficient cleavage of the spike protein, and poor fusogenicity. However, it remains unclear which mutation(s) in the spike protein determine the virological characteristics of Omicron. Here, we show that the representative characteristics of the Omicron spike are determined by its receptor-binding domain. Interestingly, the molecular phylogenetic analysis revealed that the acquisition of the spike S375F mutation was closely associated with the explosive spread of Omicron in the human population. We further elucidate that the F375 residue forms an interprotomer pi-pi interaction with the H505 residue in another protomer in the spike trimer, which confers the attenuated spike cleavage efficiency and fusogenicity of Omicron. Our data shed light on the evolutionary events underlying Omicron emergence at the molecular level. Highlights Omicron spike receptor binding domain determines virological characteristics Spike S375F mutation results in the poor spike cleavage and fusogenicity in Omicron Acquisition of the spike S375F mutation triggered the explosive spread of Omicron F375-H505-mediated π-π interaction in the spike determines the phenotype of Omicron

HIV-1 must overcome multiple innate antiviral mechanisms to replicate in CD4 + T lymphocytes and macrophages. Previous studies have demonstrated that the APOBEC3 (A3) family of proteins (at least A3D, A3F, A3G, and stable A3H haplotypes) contribute to HIV-1 restriction in CD4 + T lymphocytes. Virus-encoded virion infectivity factor (Vif) counteracts this antiviral activity by degrading A3 enzymes allowing HIV-1 replication in infected cells. In addition to A3 proteins, Vif also targets other cellular proteins in CD4 + T lymphocytes, including PPP2R5 proteins. However, whether Vif primarily degrades only A3 proteins or has additional essential targets during viral replication is currently unknown. Herein, we describe the development and characterization of A3F -, A3F/A3G -, and A3A -to- A3G -null THP-1 cells. In comparison to Vif-proficient HIV-1, Vif-deficient viruses have substantially reduced infectivity in parental and A3F -null THP-1 cells, and a more modest decrease in infectivity in A3F/A3G -null cells. Remarkably, disruption of A3Aâ€"A3G protein expression completely restores the infectivity of Vif-deficient viruses in THP-1 cells. These results indicate that the primary function of Vif during HIV-1 replication in THP-1 cells is the targeting and degradation of A3 enzymes.HIV-1 Vif neutralizes the HIV-1 restriction activity of A3 proteins. However, it is currently unclear whether Vif has additional essential cellular targets. To address this question, we disrupted A3A to A3G genes in the THP-1 myeloid cell line using CRISPR and compared the infectivity of wildtype HIV-1 and Vif mutants with the selective A3 neutralization activities. Our results demonstrate that the infectivity of Vif-deficient HIV-1 and the other Vif mutants is fully restored by ablating the expression of cellular A3A to A3G proteins. These results indicate that A3 proteins are the only essential target of Vif that is required for HIV-1 replication in THP-1 cells.

BackgroundAlthough several SARS-CoV-2-related coronaviruses (SC2r-CoVs) were discovered in bats and pangolins, the differences in virological characteristics between SARS-CoV-2 and SC2r-CoVs remain poorly understood. Recently, BANAL-20-236 (B236) was isolated from a rectal swab of Malayan horseshoe bat and was found to lack a furin cleavage site (FCS) in the spike (S) protein. The comparison of its virological characteristics with FCS-deleted SARS-CoV-2 (SC2ΔFCS) has not been conducted yet.MethodsWe prepared human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived airway and lung epithelial cells and colon organoids as human organ-relevant models. B236, SARS-CoV-2, and artificially generated SC2ΔFCS were used for viral experiments. To investigate the pathogenicity of B236 in vivo, we conducted intranasal infection experiments in hamsters.FindingsIn human iPSC-derived airway epithelial cells, the growth of B236 was significantly lower than that of the SC2ΔFCS. A fusion assay showed that the B236 and SC2ΔFCS S proteins were less fusogenic than the SARS-CoV-2 S protein. The infection experiment in hamsters showed that B236 was less pathogenic than SARS-CoV-2 and even SC2ΔFCS. Interestingly, in human colon organoids, the growth of B236 was significantly greater than that of SARS-CoV-2.InterpretationCompared to SARS-CoV-2, we demonstrated that B236 exhibited a tropism toward intestinal cells rather than respiratory cells. Our results are consistent with a previous report showing that B236 is enterotropic in macaques. Altogether, our report strengthens the assumption that SC2r-CoVs in horseshoe bats replicate primarily in the intestinal tissues rather than respiratory tissues.FundingThis study was supported in part by AMED ASPIRE (JP23jf0126002, to Keita Matsuno, Kazuo Takayama, and Kei Sato); AMED SCARDA Japan Initiative for World-leading Vaccine Research and Development Centers "UTOPIA" (JP223fa627001, to Kei Sato), AMED SCARDA Program on R&D of new generation vaccine including new modality application (JP223fa727002, to Kei Sato); AMED SCARDA Hokkaido University Institute for Vaccine Research and Development (HU-IVReD) (JP223fa627005h0001, to Takasuke Fukuhara, and Keita Matsuno); AMED Research Program on Emerging and Re-emerging Infectious Diseases (JP21fk0108574, to Hesham Nasser; JP21fk0108493, to Takasuke Fukuhara; JP22fk0108617 to Takasuke Fukuhara; JP22fk0108146, to Kei Sato; JP21fk0108494 to G2P-Japan Consortium, Keita Matsuno, Shinya Tanaka, Terumasa Ikeda, Takasuke Fukuhara, and Kei Sato; JP21fk0108425, to Kazuo Takayama and Kei Sato; JP21fk0108432, to Kazuo Takayama, Takasuke Fukuhara and Kei Sato; JP22fk0108534, Terumasa Ikeda, and Kei Sato; JP22fk0108511, to Yuki Yamamoto, Terumasa Ikeda, Keita Matsuno, Shinya Tanaka, Kazuo Takayama, Takasuke Fukuhara, and Kei Sato; JP22fk0108506, to Kazuo Takayama and Kei Sato); AMED Research Program on HIV/AIDS (JP22fk0410055, to Terumasa Ikeda; and JP22fk0410039, to Kei Sato); AMED Japan Program for Infectious Diseases Research and Infrastructure (JP22wm0125008 to Keita Matsuno); AMED CREST (JP21gm1610005, to Kazuo Takayama; JP22gm1610008, to Takasuke Fukuhara; JST PRESTO (JPMJPR22R1, to Jumpei Ito); JST CREST (JPMJCR20H4, to Kei Sato); JSPS KAKENHI Fund for the Promotion of Joint International Research (International Leading Research) (JP23K20041, to G2P-Japan Consortium, Keita Matsuno, Takasuke Fukuhara and Kei Sato); JST SPRING (JPMJSP2108 to Shigeru Fujita); JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research C (22K07103, to Terumasa Ikeda); JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research B (21H02736, to Takasuke Fukuhara); JSPS KAKENHI Grant-in-Aid for Early-Career Scientists (22K16375, to Hesham Nasser; 20K15767, to Jumpei Ito); JSPS Core-to-Core Program (A. Advanced Research Networks) (JPJSCCA20190008, to Kei Sato); JSPS Research Fellow DC2 (22J11578, to Keiya Uriu); JSPS Research Fellow DC1 (23KJ0710, to Yusuke Kosugi); JSPS Leading Initiative for Excellent Young Researchers (LEADER) (to Terumasa Ikeda); World-leading Innovative and Smart Education (WISE) Program 1801 from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT) (to Naganori Nao); Ministry of Health, Labour and Welfare (MHLW) under grant 23HA2010 (to Naganori Nao and Keita Matsuno); The Cooperative Research Program (Joint Usage/Research Center program) of Institute for Life and Medical Sciences, Kyoto University (to Kei Sato); International Joint Research Project of the Institute of Medical Science, the University of Tokyo (to Terumasa Ikeda and Takasuke Fukuhara); The Tokyo Biochemical Research Foundation (to Kei Sato); Takeda Science Foundation (to Terumasa Ikeda and Takasuke Fukuhara); Mochida Memorial Foundation for Medical and Pharmaceutical Research (to Terumasa Ikeda); The Naito Foundation (to Terumasa Ikeda); Hokuto Foundation for Bioscience (to Tomokazu Tamura); Hirose Foundation (to Tomokazu Tamura); and Mitsubishi Foundation (to Kei Sato).