Among the 30 non-synonymous nucleotide substitutions in the Omicron S-gene are 13 that have only rarely been seen in other SARS-CoV-2 sequences. These mutations cluster within three functionally important regions of the S-gene at sites that will likely impact (i) interactions between subunits of the Spike trimer and the predisposition of subunits to shift from down to up configurations, (ii) interactions of Spike with ACE2 receptors, and (iii) the priming of Spike for membrane fusion. We show here that, based on both the rarity of these 13 mutations in intrapatient sequencing reads and patterns of selection at the codon sites where the mutations occur in SARS-CoV-2 and related sarbecoviruses, prior to the emergence of Omicron the mutations would have been predicted to decrease the fitness of any genomes within which they occurred. We further propose that the mutations in each of the three clusters therefore cooperatively interact to both mitigate their individual fitness costs, and adaptively alter the function of Spike. Given the evident epidemic growth advantages of Omicron over all previously known SARS-CoV-2 lineages, it is crucial to determine both how such complex and highly adaptive mutation constellations were assembled within the Omicron S-gene, and why, despite unprecedented global genomic surveillance efforts, the early stages of this assembly process went completely undetected.

RNA viruses are proficient at switching host species, and evolving adaptations to exploit the new host's cells efficiently. Surprisingly, SARS-CoV-2 has apparently required no significant adaptation to humans since the start of the COVID-19 pandemic, with no observed selective sweeps since genome sampling began. Here we assess the types of natural selection taking place in Sarbecoviruses in horseshoe bats versus SARS-CoV-2 evolution in humans. While there is moderate evidence of diversifying positive selection in SARS-CoV-2 in humans, it is limited to the early phase of the pandemic, and purifying selection is much weaker in SARS-CoV-2 than in related bat Sarbecoviruses . In contrast, our analysis detects significant positive episodic diversifying selection acting on the bat virus lineage SARS-CoV-2 emerged from, accompanied by an adaptive depletion in CpG composition presumed to be linked to the action of antiviral mechanisms in ancestral hosts. The closest bat virus to SARS-CoV-2, RmYN02 (sharing an ancestor ∼1976), is a recombinant with a structure that includes differential CpG content in Spike; clear evidence of coinfection and evolution in bats without involvement of other species. Collectively our results demonstrate the progenitor of SARS-CoV-2 was capable of near immediate human-human transmission as a consequence of its adaptive evolutionary history in bats, not humans.

Abstract The ongoing SARS-CoV-2 outbreak marks the first time that large amounts of genome sequence data have been generated and made publicly available in near real-time. Early analyses of these data revealed low sequence variation, a finding that is consistent with a recently emerging outbreak, but which raises the question of whether such data are sufficiently informative for phylogenetic inferences of evolutionary rates and time scales. The phylodynamic threshold is a key concept that refers to the point in time at which sufficient molecular evolutionary change has accumulated in available genome samples to obtain robust phylodynamic estimates. For example, before the phylodynamic threshold is reached, genomic variation is so low that even large amounts of genome sequences may be insufficient to estimate the virus’s evolutionary rate and the time scale of an outbreak. We collected genome sequences of SARS-CoV-2 from public databases at 8 different points in time and conducted a range of tests of temporal signal to determine if and when the phylodynamic threshold was reached, and the range of inferences that could be reliably drawn from these data. Our results indicate that by February 2 nd 2020, estimates of evolutionary rates and time scales had become possible. Analyses of subsequent data sets, that included between 47 to 122 genomes, converged at an evolutionary rate of about 1.1×10 −3 subs/site/year and a time of origin of around late November 2019. Our study provides guidelines to assess the phylodynamic threshold and demonstrates that establishing this threshold constitutes a fundamental step for understanding the power and limitations of early data in outbreak genome surveillance.

Abstract Current first-generation COVID-19 vaccines are based on prototypic spike sequences from ancestral 2019 SARS-CoV-2 strains. However, the ongoing pandemic is fueled by variants of concern (VOC) that threaten to escape vaccine-mediated protection. Here we show in a stringent hamster model that immunization using prototypic spike expressed from a potent YF17D viral vector (1) provides vigorous protection against infection with ancestral virus (B lineage) and VOC Alpha (B.1.1.7), however, is insufficient to provide maximum protection against the Beta (B.1.351) variant. To improve vaccine efficacy, we created a revised vaccine candidate that carries an evolved spike antigen. Vaccination of hamsters with this updated vaccine candidate provides full protection against intranasal challenge with all four VOCs Alpha, Beta, Gamma (P.1) and Delta (B.1.617.2) resulting in complete elimination of infectious virus from the lungs and a marked improvement in lung pathology. Vaccinated hamsters did also no longer transmit the Delta variant to non-vaccinated sentinels. Hamsters immunized with our modified vaccine candidate also mounted marked neutralizing antibody responses against the recently emerged Omicron (B.1.1.529) variant, whereas the old vaccine employing prototypic spike failed to induce immunity to this antigenically distant virus. Overall, our data indicate that current first-generation COVID-19 vaccines need to be urgently updated to cover newly emerging VOCs to maintain vaccine efficacy and to impede virus spread at the community level. Significance Statement SARS-CoV-2 keeps mutating rapidly, and the ongoing COVID-19 pandemic is fueled by new variants escaping immunity induced by current first-generation vaccines. There is hence an urgent need for universal vaccines that cover variants of concern (VOC). In this paper we show that an adapted version of our vaccine candidate YF-S0* provides full protection from infection, virus transmission and disease by VOCs Alpha, Beta, Gamma and Delta, and also results in markedly increased levels of neutralizing antibodies against recently emerged Omicron VOC in a stringent hamster model. Our findings underline the necessity to update COVID-19 vaccines to curb the pandemic, providing experimental proof on how to maintain vaccine efficacy in view of an evolving SARS-CoV-2 diversity.

ABSTRACT The Influenza A virus (IAV) hemagglutinin protein (HA) has been studied extensively, but its evolution has not been thoroughly compared among major host species. We compared H3 and H1 evolutionary rates among 49 lineages differentiated by host (avian, canine, equine, human, swine), phylogeny, and geography. Rates of nonsynonymous evolution, relative to synonymous rates, were higher in mammalian than avian hosts. Human seasonal HA and classical swine H1 accumulated 11-13 glycosylation sites, primarily in the antigenically important head domain, whereas lower numbers were maintained in other hosts. Canines had the highest ratio of nonsynonymous to synonymous changes in the more conserved stalk domain. Amino acid changes in canine viruses occurred disproportionately at residues located at protein interfaces. This suggests that they were adaptations affecting the major structural rearrangement of HA, which is critical for cell entry. These findings invite further study of how host ecology and physiology affect natural selection. AUTHOR SUMMARY Influenza virus evolution is of practical importance to health in addition to being an excellent system for the study of parasite/host evolution. Our work explores a largely untapped aspect of influenza evolution: sequence evolution in non-human hosts. This is important in its own right, in terms of both science and domestic animal health. It also puts the evolution of human influenza in a larger, comparative context. Our results also provide evidence concerning the evolution of the hemagglutinin stem domain, which has not been a focus of study but has new importance due to the development of stem-based universal influenza vaccines.

Abstract Lassa fever is listed among the diseases that pose the greatest risks to public health by the World Health Organization. This severe viral hemorrhagic fever is caused by Lassa virus, a zoonotic pathogen that repeatedly spills over to humans from its rodent reservoirs. It is currently not known how climate change, transformations in land use, and human population growth could affect the endemic area of this virus, currently limited to parts of West Africa. By exploring the environmental data associated with virus occurrence, we show how temperature, precipitation and the presence of pastures determine ecological suitability for virus circulation. We project that regions in Central and East Africa will likely become suitable for Lassa virus over the next decades and estimate that the total population living in areas suitable for Lassa virus may grow from about 100 million to 700 million by 2070. By analysing geotagged viral genomes, we find that in the event of Lassa virus being introduced into a new suitable region, its spread might remain spatially limited over the first decades. Our results highlight how the endemic area of Lassa virus may expand well beyond West Africa in the next decades due to human impact on the environment, putting hundreds of million more people at risk of infection.

Abstract The 1918 influenza pandemic was the deadliest respiratory pandemic of the 20th century and determined the genomic make-up of subsequent human influenza A viruses (IAV). Here, we analyze the first 1918 IAV genomes from Europe and from the first, milder wave of the pandemic. 1918 IAV genomic diversity is consistent with local transmission and frequent long-distance dispersal events and in vitro polymerase characterization suggests potential phenotypic variability. Comparison of first and second wave genomes shows variation at two sites in the nucleoprotein gene associated with resistance to host antiviral response, pointing at a possible adaptation of 1918 IAV to humans. Finally, phylogenetic estimates based on extended molecular clock modelling suggests a pure pandemic descent of seasonal H1N1 IAV as an alternative to the hypothesis of an intrasubtype reassortment origin. One Sentence Summary Much can be learned about past pandemics by uncovering their footprints in medical archives, which we here demonstrate for the 1918 flu pandemic.

ABSTRACT Competitive interactions between pathogen strains drive infection risk. Vaccines are thought to perturb strain diversity through shifts in immune pressures, however, this has rarely been measured due to inadequate data and analytical tools. Bordetella pertussis ( B. pertussis ), responsible for 160,000 deaths annually 1 , provides a rare natural experiment as many countries have switched from whole cell vaccines to acellular vaccines, which have very different immunogenic properties 2,3 . Here we use 3,344 sequences from 23 countries and build phylogenetic models to reveal that B. pertussis has substantial diversity within communities, with the relative fitness of local genotypes changing in response to switches in vaccine policy. We demonstrate that the number of transmission chains circulating within subnational regions is strongly associated with host population size. It takes 5-10 years for individual lineages to be homogeneously distributed throughout Europe or the United States. Increased fitness of pertactin-deficient strains following implementation of acellular vaccines, but reduced fitness otherwise, can explain long-term genotype dynamics. These findings highlight the role of national vaccine policies in shifting local diversity of a pathogen that still poses a large burden on global public health.

In the search for natural reservoirs of hepatitis C virus (HCV), a broad diversity of non-human viruses within the Hepacivirus genus has been uncovered. However, the evolutionary dynamics that shaped the diversity and timescale of hepaciviruses evolution remain elusive. To gain further insights into the origins and evolution of this genus, we screened a large dataset of wild mammal samples (n = 1,672) from Africa and Asia, and generated 34 full-length hepacivirus genomes. Phylogenetic analysis of these data together with publicly available genomes emphasizes the importance of rodents as hepacivirus hosts and we identify 13 rodent species and 3 rodent genera (in Cricetidae and Muridae families) as novel hosts of hepaciviruses. Through co-phylogenetic analyses, we demonstrate that hepacivirus diversity has been affected by cross-species transmission events against the backdrop of detectable signal of virus-host co-divergence in the deep evolutionary history. Using a Bayesian phylogenetic multidimensional scaling approach, we explore the extent to which host relatedness and geographic distances have structured present-day hepacivirus diversity. Our results provide evidence for a substantial structuring of mammalian hepacivirus diversity by host as well as geography, with a somewhat more irregular diffusion process in geographic space. Finally, using a mechanistic model that accounts for substitution saturation, we provide the first formal estimates of the timescale of hepacivirus evolution and estimate the origin of the genus to be about 22 million years ago. Our results offer a comprehensive overview of the micro- and macroevolutionary processes that have shaped hepacivirus diversity and enhance our understanding of the long-term evolution of the Hepacivirus genus.

Abstract As viral genomic imprints in host genomes, endogenous viral elements (EVEs) shed light on the deep evolutionary history of viruses, ancestral host ranges, and ancient viral-host interactions. In addition, they may provide crucial information for calibrating viral evolutionary timescales. In this study, we conducted a comprehensive in silico screening of a large dataset of available mammalian genomes for EVEs deriving from members of the viral family Flaviviridae , an important group of viruses including well-known human pathogens. We identified two novel pestivirus-like EVEs in the reference genome of the Indochinese shrew ( Crocidura indochinensis ). Homologs of these novel EVEs were subsequently detected in vivo by molecular detection and sequencing in 27 shrew species, including 26 species representing a wide distribution within the Crocidurinae subfamily and one in the Soricinae subfamily. Based on this wide distribution, we estimate that the integration event occurred before the last common ancestor of the subfamily, about 10.8 million years ago, attesting to an ancient origin of pestiviruses and Flaviviridae in general. Moreover, we provide the first description of Flaviviridae -derived EVEs in mammals even though the family encompasses numerous mammal-infecting members, including major human pathogens such as Zika, dengue, or hepatitis C viruses. This also suggests that shrews were past and perhaps also current natural reservoirs of pestiviruses. Taken together, our results expand the current known Pestivirus host range and provide novel insight into the ancient evolutionary history of pestiviruses and the Flaviviridae family in general.