Defects in mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) have been reported in COVID-19 patients, but the timing and organs affected vary among reports. Here, we reveal the dynamics of COVID-19 through transcription profiles in nasopharyngeal and autopsy samples from patients and infected rodent models. While mitochondrial bioenergetics is repressed in the viral nasopharyngeal portal of entry, it is up regulated in autopsy lung tissues from deceased patients. In most disease stages and organs, discrete OXPHOS functions are blocked by the virus, and this is countered by the host broadly up regulating unblocked OXPHOS functions. No such rebound is seen in autopsy heart, results in severe repression of genes across all OXPHOS modules. Hence, targeted enhancement of mitochondrial gene expression may mitigate the pathogenesis of COVID-19.

SARS-CoV-2 infection during pregnancy leads to an increased risk of adverse pregnancy outcomes. Although the placenta itself can be a target of virus infection, most neonates are virus free and are born healthy or recover quickly. Here, we investigated the impact of SARS-CoV-2 infection on the placenta from a cohort of women who were infected late during pregnancy and had tested nasal swab positive for SARS-CoV-2 by qRT-PCR at delivery. SARS-CoV-2 genomic and subgenomic RNA was detected in 23 out of 54 placentas. Two placentas with high virus content were obtained from mothers who presented with severe COVID-19 and whose pregnancies resulted in adverse outcomes for the fetuses, including intrauterine fetal demise and a preterm delivered baby still in newborn intensive care. Examination of the placental samples with high virus content showed efficient SARS-CoV-2 infection, using RNA in situ hybridization to detect genomic and replicating viral RNA, and immunohistochemistry to detect SARS-CoV-2 nucleocapsid protein. Infection was restricted to syncytiotrophoblast cells that envelope the fetal chorionic villi and are in direct contact with maternal blood. The infected placentas displayed massive infiltration of maternal immune cells including macrophages into intervillous spaces, potentially contributing to inflammation of the tissue. Ex vivo infection of placental cultures with SARS-CoV-2 or with SARS-CoV-2 spike (S) protein pseudotyped lentivirus targeted mostly syncytiotrophoblast and in rare events endothelial cells. Infection was reduced by using blocking antibodies against ACE2 and against Neuropilin 1, suggesting that SARS-CoV-2 may utilize alternative receptors for entry into placental cells.

Coagulopathy is a significant aspect of morbidity in COVID-19 patients. The clotting cascade is propagated by a series of proteases, including factor Xa and thrombin. While certain host proteases, including TMPRSS2 and furin, are known to be important for cleavage activation of SARS-CoV-2 spike to promote viral entry in the respiratory tract, other proteases may also contribute. Using biochemical and cell-based assays, we demonstrate that factor Xa and thrombin can also directly cleave SARS-CoV-2 spike, enhancing viral entry. A drug-repurposing screen identified a subset of protease inhibitors that promiscuously inhibited spike cleavage by both transmembrane serine proteases as well as coagulation factors. The mechanism of the protease inhibitors nafamostat and camostat may extend beyond inhibition of TMPRSS2 to coagulation-induced spike cleavage. Anticoagulation is critical in the management of COVID-19, and early intervention could provide collateral benefit by suppressing SARS-CoV-2 viral entry. We propose a model of positive feedback whereby infection-induced hypercoagulation exacerbates SARS-CoV-2 infectivity.

SUMMARY SARS-CoV-2 has been found capable of inducing prolonged pathologies collectively referred to as Long-COVID. To better understand this biology, we compared the short- and long-term systemic responses in the golden hamster following either SARS-CoV-2 or influenza A virus (IAV) infection. While SARS-CoV-2 exceeded IAV in its capacity to cause injury to the lung and kidney, the most significant changes were observed in the olfactory bulb (OB) and olfactory epithelium (OE) where inflammation was visible beyond one month post SARS-CoV-2 infection. Despite a lack of detectable virus, OB/OE demonstrated microglial and T cell activation, proinflammatory cytokine production, and interferon responses that correlated with behavioral changes. These findings could be corroborated through sequencing of individuals who recovered from COVID-19, as sustained inflammation in OB/OE tissue remained evident months beyond disease resolution. These data highlight a molecular mechanism for persistent COVID-19 symptomology and characterize a small animal model to develop future therapeutics.

The Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) virus has infected over 115 million people and caused over 2.5 million deaths worldwide. Yet, the molecular mechanisms underlying the clinical manifestations of COVID-19, as well as what distinguishes them from common seasonal influenza virus and other lung injury states such as Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS), remains poorly understood. To address these challenges, we combined transcriptional profiling of 646 clinical nasopharyngeal swabs and 39 patient autopsy tissues, matched with spatial protein and expression profiling (GeoMx) across 357 tissue sections. These results define both body-wide and tissue-specific (heart, liver, lung, kidney, and lymph nodes) damage wrought by the SARS-CoV-2 infection, evident as a function of varying viral load (high vs. low) during the course of infection and specific, transcriptional dysregulation in splicing isoforms, T cell receptor expression, and cellular expression states. In particular, cardiac and lung tissues revealed the largest degree of splicing isoform switching and cell expression state loss. Overall, these findings reveal a systemic disruption of cellular and transcriptional pathways from COVID-19 across all tissues, which can inform subsequent studies to combat the mortality of COVID-19, as well to better understand the molecular dynamics of lethal SARS-CoV-2 infection and other viruses.

Abstract Our previous research revealed a key microRNA signature that is associated with spaceflight that can be used as a biomarker and to develop countermeasure treatments to mitigate the damage caused by space radiation. Here, we expand on this work to determine the biological factors rescued by the countermeasure treatment. We performed RNA-sequencing and transcriptomic analysis on 3D microvessel cell cultures exposed to simulated deep space radiation (0.5 Gy of Galactic Cosmic Radiation) with and without the antagonists to three microRNAs: miR-16-5p, miR-125b-5p, and let-7a-5p ( i.e ., antagomirs). Significant reduction of inflammation and DNA double strand breaks (DSBs) activity and rescue of mitochondria functions are observed after antagomir treatment. Using data from astronaut participants in the NASA Twin Study, Inspiration4, and JAXA missions, we reveal the genes and pathways implicated in the action of these antagomirs are altered in humans. Our findings indicate a countermeasure strategy that can potentially be utilized by astronauts in spaceflight missions to mitigate space radiation damage.

Summary Chronic hepatitis B virus (HBV) infection is an incurable global health threat responsible for causing liver disease and hepatocellular carcinoma. During the genesis of infection, HBV establishes an independent minichromosome consisting of the viral covalently closed circular DNA (cccDNA) genome and host histones. The viral X gene must be expressed immediately upon infection to induce degradation of the host silencing factor, Smc5/6. However, the relationship between cccDNA chromatinization and X gene transcription remains poorly understood. Establishing a reconstituted viral minichromosome platform, we found that nucleosome occupancy in cccDNA drives X transcription. We corroborated these findings in cells and further showed that the chromatin destabilizing molecule CBL137 inhibits X transcription and HBV infection in hepatocytes. Our results shed light on a long-standing paradox and represent a potential new therapeutic avenue for the treatment of chronic HBV infection.

Abstract TDP-43 pathology is prevalent in dementia but the cell type-specific effects of TDP-43 are not clear and therapeutic strategies to alleviate TDP-43-linked cognitive decline are lacking. We found that patients with Alzheimer’s disease (AD) or frontotemporal dementia (FTD) have aberrant TDP-43 accumulation in hippocampal astrocytes. In mouse models, induction of widespread or hippocampus-targeted accumulation in astrocytic TDP-43 caused progressive memory loss and localized changes in antiviral gene expression. These changes were cell-autonomous and correlated with impaired astrocytic defense against infectious viruses. Among the changes, astrocytes had elevated levels of interferon-inducible chemokines and neurons had elevated levels of the corresponding chemokine receptor CXCR3 in presynaptic terminals. CXCR3 stimulation altered presynaptic function and promoted neuronal hyperexcitability, akin to the effects of astrocytic TDP-43, and blockade of CXCR3 reduced this activity. Ablation of CXCR3 also prevented TDP-43-linked memory loss. Thus, astrocytic TDP-43 dysfunction contributes to cognitive impairment through aberrant chemokine-mediated astrocytic-neuronal interactions. Summary In dementia, protein buildup in glia enhances chemokine signaling to synapses and impairs specific aspects of neurocognitive function.

Over the past two decades, measurements of carbon nanotube toxicity and biodistribution have yielded a wide range of results. Properties such as nanotube type (single-walled vs. multi-walled), purity, length, aggregation state, and functionalization, as well as route of administration, greatly affect both the biocompatibility and biodistribution of carbon nanotubes. These differences suggest that generalizable conclusions may be elusive and that studies must be material- and application-specific. Here, we assess the short- and long-term biodistribution and biocompatibility of a single-chirality DNA-encapsulated single-walled carbon nanotube complex upon intravenous administration that was previously shown to function as an in-vivo reporter of endolysosomal lipid accumulation. Regarding biodistribution and fate, we found bulk specificity to the liver and >90% signal attenuation by 14 days in mice. Using near-infrared hyperspectral microscopy to measure single nanotubes, we found low-level, long-term persistence in organs such as the heart, liver, lung, kidney, and spleen. Measurements of histology, animal weight, complete blood count, and biomarkers of organ function all suggest short- and long-term biocompatibility. This work suggests that carbon nanotubes can be used as preclinical research tools in-vivo without affecting acute or long-term health.