Understanding the pathophysiology of SARS-CoV-2 infection is critical for therapeutic and public health strategies. Viral–host interactions can guide discovery of disease regulators, and protein structure function analysis points to several immune pathways, including complement and coagulation, as targets of coronaviruses. To determine whether conditions associated with dysregulated complement or coagulation systems impact disease, we performed a retrospective observational study and found that history of macular degeneration (a proxy for complement-activation disorders) and history of coagulation disorders (thrombocytopenia, thrombosis and hemorrhage) are risk factors for SARS-CoV-2-associated morbidity and mortality—effects that are independent of age, sex or history of smoking. Transcriptional profiling of nasopharyngeal swabs demonstrated that in addition to type-I interferon and interleukin-6-dependent inflammatory responses, infection results in robust engagement of the complement and coagulation pathways. Finally, in a candidate-driven genetic association study of severe SARS-CoV-2 disease, we identified putative complement and coagulation-associated loci including missense, eQTL and sQTL variants of critical complement and coagulation regulators. In addition to providing evidence that complement function modulates SARS-CoV-2 infection outcome, the data point to putative transcriptional genetic markers of susceptibility. The results highlight the value of using a multimodal analytical approach to reveal determinants and predictors of immunity, susceptibility and clinical outcome associated with infection. A combination of clinical and molecular analyses supports an association between disorders of immune complement or coagulation with poor outcome in patients with SARS-CoV-2 infection.

One of the main challenges in metagenomics is the identification of microorganisms in clinical and environmental samples. While an extensive and heterogeneous set of computational tools is available to classify microorganisms using whole-genome shotgun sequencing data, comprehensive comparisons of these methods are limited. In this study, we use the largest-to-date set of laboratory-generated and simulated controls across 846 species to evaluate the performance of 11 metagenomic classifiers. Tools were characterized on the basis of their ability to identify taxa at the genus, species, and strain levels, quantify relative abundances of taxa, and classify individual reads to the species level. Strikingly, the number of species identified by the 11 tools can differ by over three orders of magnitude on the same datasets. Various strategies can ameliorate taxonomic misclassification, including abundance filtering, ensemble approaches, and tool intersection. Nevertheless, these strategies were often insufficient to completely eliminate false positives from environmental samples, which are especially important where they concern medically relevant species. Overall, pairing tools with different classification strategies (k-mer, alignment, marker) can combine their respective advantages. This study provides positive and negative controls, titrated standards, and a guide for selecting tools for metagenomic analyses by comparing ranges of precision, accuracy, and recall. We show that proper experimental design and analysis parameters can reduce false positives, provide greater resolution of species in complex metagenomic samples, and improve the interpretation of results.

We present a global atlas of 4,728 metagenomic samples from mass-transit systems in 60 cities over 3 years, representing the first systematic, worldwide catalog of the urban microbial ecosystem. This atlas provides an annotated, geospatial profile of microbial strains, functional characteristics, antimicrobial resistance (AMR) markers, and genetic elements, including 10,928 viruses, 1,302 bacteria, 2 archaea, and 838,532 CRISPR arrays not found in reference databases. We identified 4,246 known species of urban microorganisms and a consistent set of 31 species found in 97% of samples that were distinct from human commensal organisms. Profiles of AMR genes varied widely in type and density across cities. Cities showed distinct microbial taxonomic signatures that were driven by climate and geographic differences. These results constitute a high-resolution global metagenomic atlas that enables discovery of organisms and genes, highlights potential public health and forensic applications, and provides a culture-independent view of AMR burden in cities.

The COVID-19 pandemic has sparked an urgent need to uncover the underlying biology of this devastating disease. Though RNA viruses mutate more rapidly than DNA viruses, there are a relatively small number of single nucleotide polymorphisms (SNPs) that differentiate the main SARS-CoV-2 clades that have spread throughout the world. In this study, we investigated over 7,000 SARS-CoV-2 datasets to unveil both intrahost and interhost diversity. Our intrahost and interhost diversity analyses yielded three major observations. First, the mutational profile of SARS-CoV-2 highlights iSNV and SNP similarity, albeit with high variability in C>T changes. Second, iSNV and SNP patterns in SARS-CoV-2 are more similar to MERS-CoV than SARS-CoV-1. Third, a significant fraction of small indels fuel the genetic diversity of SARS-CoV-2. Altogether, our findings provide insight into SARS-CoV-2 genomic diversity, inform the design of detection tests, and highlight the potential of iSNVs for tracking the transmission of SARS-CoV-2.

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.

Spaceflight induces an immune response in astronauts. To better characterize this effect, we generated single-cell, multi-ome, cell-free RNA (cfRNA), biochemical, and hematology data for the SpaceX Inspiration4 (I4) mission crew. We found that 18 cytokines/chemokines related to inflammation, aging, and muscle homeostasis changed after spaceflight. In I4 single-cell multi-omics data, we identified a "spaceflight signature" of gene expression characterized by enrichment in oxidative phosphorylation, UV response, immune function, and TCF21 pathways. We confirmed the presence of this signature in independent datasets, including the NASA Twins Study, the I4 skin spatial transcriptomics, and 817 NASA GeneLab mouse transcriptomes. Finally, we observed that (1) T cells showed an up-regulation of FOXP3, (2) MHC class I genes exhibited long-term suppression, and (3) infection-related immune pathways were associated with microbiome shifts. In summary, this study reveals conserved and distinct immune disruptions occurring and details a roadmap for potential countermeasures to preserve astronaut health.

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.

Spaceflight induces molecular, cellular and physiological shifts in astronauts and poses myriad biomedical challenges to the human body, which are becoming increasingly relevant as more humans venture into space