Summary

 On 24^th November 2021, the sequence of a new SARS-CoV-2 viral isolate Omicron-B.1.1.529 was announced, containing far more mutations in Spike (S) than previously reported variants. Neutralization titers of Omicron by sera from vaccinees and convalescent subjects infected with early pandemic Alpha, Beta, Gamma, or Delta are substantially reduced, or the sera failed to neutralize. Titers against Omicron are boosted by third vaccine doses and are high in both vaccinated individuals and those infected by Delta. Mutations in Omicron knock out or substantially reduce neutralization by most of the large panel of potent monoclonal antibodies and antibodies under commercial development. Omicron S has structural changes from earlier viruses and uses mutations that confer tight binding to ACE2 to unleash evolution driven by immune escape. This leads to a large number of mutations in the ACE2 binding site and rebalances receptor affinity to that of earlier pandemic viruses.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has undergone progressive change, with variants conferring advantage rapidly becoming dominant lineages, e.g., B.1.617. With apparent increased transmissibility, variant B.1.617.2 has contributed to the current wave of infection ravaging the Indian subcontinent and has been designated a variant of concern in the United Kingdom. Here we study the ability of monoclonal antibodies and convalescent and vaccine sera to neutralize B.1.617.1 and B.1.617.2, complement this with structural analyses of Fab/receptor binding domain (RBD) complexes, and map the antigenic space of current variants. Neutralization of both viruses is reduced compared with ancestral Wuhan-related strains, but there is no evidence of widespread antibody escape as seen with B.1.351. However, B.1.351 and P.1 sera showed markedly more reduction in neutralization of B.1.617.2, suggesting that individuals infected previously by these variants may be more susceptible to reinfection by B.1.617.2. This observation provides important new insights for immunization policy with future variant vaccines in non-immune populations.

Virus genomes reveal the establishment of Zika virus in Brazil and the Americas, and provide an appropriate timeframe for baseline (pre-Zika) microcephaly in different regions. Three papers in this issue present a wealth of new Zika virus (ZIKV) genome sequences and further insights into the genetic epidemiology of ZIKV. Nathan Grubaugh et al. provide 39 new ZIKV genome sequences from infected patients and Aedes aegypti mosquitoes in Florida. Phylogenetic analysis suggests that the virus has been introduced on multiple separate occasions, probably linked to travel from the Caribbean. They find a low probability of long-term persistence of ZIKV transmission chains within Florida, suggesting that the potential for future ZIKV outbreaks there will depend on transmission dynamics in the Americas. Nuno Faria et al. and Hayden Metsky et al. reconstruct the spread of ZIKV in Brazil and the Americas. Faria et al. provide 54 new ZIKV genomes, several sequenced in real time in a mobile genomics laboratory. They trace the spatial origins and spread of ZIKV in Brazil and the Americas and date the timing of the international spread of ZIKV from Brazil. They find that northeast Brazil had a crucial role in the establishment of the epidemic and the spread of the virus within Brazil and the Americas. Metsky et al. generate 110 ZIKV genomes from clinical and mosquito samples from ten regions. They also see rapid expansion of the epidemic within Brazil and multiple introductions to other geographic areas. In agreement with Faria et al., they find that ZIKV circulated unobserved for many months before transmission was detected. Metsky et al. additionally describe ZIKV evolution and discuss how the accumulation of mutations might affect the performance of diagnostic tests in the future. Transmission of Zika virus (ZIKV) in the Americas was first confirmed in May 2015 in northeast Brazil1. Brazil has had the highest number of reported ZIKV cases worldwide (more than 200,000 by 24 December 20162) and the most cases associated with microcephaly and other birth defects (2,366 confirmed by 31 December 20162). Since the initial detection of ZIKV in Brazil, more than 45 countries in the Americas have reported local ZIKV transmission, with 24 of these reporting severe ZIKV-associated disease3. However, the origin and epidemic history of ZIKV in Brazil and the Americas remain poorly understood, despite the value of this information for interpreting observed trends in reported microcephaly. Here we address this issue by generating 54 complete or partial ZIKV genomes, mostly from Brazil, and reporting data generated by a mobile genomics laboratory that travelled across northeast Brazil in 2016. One sequence represents the earliest confirmed ZIKV infection in Brazil. Analyses of viral genomes with ecological and epidemiological data yield an estimate that ZIKV was present in northeast Brazil by February 2014 and is likely to have disseminated from there, nationally and internationally, before the first detection of ZIKV in the Americas. Estimated dates for the international spread of ZIKV from Brazil indicate the duration of pre-detection cryptic transmission in recipient regions. The role of northeast Brazil in the establishment of ZIKV in the Americas is further supported by geographic analysis of ZIKV transmission potential and by estimates of the basic reproduction number of the virus.

Terminating the SARS-CoV-2 pandemic relies upon pan-global vaccination. Current vaccines elicit neutralizing antibody responses to the virus spike derived from early isolates. However, new strains have emerged with multiple mutations, including P.1 from Brazil, B.1.351 from South Africa, and B.1.1.7 from the UK (12, 10, and 9 changes in the spike, respectively). All have mutations in the ACE2 binding site, with P.1 and B.1.351 having a virtually identical triplet (E484K, K417N/T, and N501Y), which we show confer similar increased affinity for ACE2. We show that, surprisingly, P.1 is significantly less resistant to naturally acquired or vaccine-induced antibody responses than B.1.351, suggesting that changes outside the receptor-binding domain (RBD) impact neutralization. Monoclonal antibody (mAb) 222 neutralizes all three variants despite interacting with two of the ACE2-binding site mutations. We explain this through structural analysis and use the 222 light chain to largely restore neutralization potency to a major class of public antibodies.

The northern state of Amazonas is among the regions in Brazil most heavily affected by the COVID-19 epidemic and has experienced two exponentially growing waves, in early and late 2020. Through a genomic epidemiology study based on 250 severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) genomes from different Amazonas municipalities sampled between March 2020 and January 2021, we reveal that the first exponential growth phase was driven mostly by the dissemination of lineage B.1.195, which was gradually replaced by lineage B.1.1.28 between May and June 2020. The second wave coincides with the emergence of the variant of concern (VOC) P.1, which evolved from a local B.1.1.28 clade in late November 2020 and replaced the parental lineage in <2 months. Our findings support the conclusion that successive lineage replacements in Amazonas were driven by a complex combination of variable levels of social distancing measures and the emergence of a more transmissible VOC P.1 virus. These data provide insights to understanding the mechanisms underlying the COVID-19 epidemic waves and the risk of dissemination of SARS-CoV-2 VOC P.1 in Brazil and, potentially, worldwide.

Summary Terminating the SARS-CoV-2 pandemic relies upon pan-global vaccination. Current vaccines elicit neutralizing antibody responses to the virus spike derived from early isolates. However, new strains have emerged with multiple mutations: P.1 from Brazil, B.1.351 from South Africa and B.1.1.7 from the UK (12, 10 and 9 changes in the spike respectively). All have mutations in the ACE2 binding site with P.1 and B.1.351 having a virtually identical triplet: E484K, K417N/T and N501Y, which we show confer similar increased affinity for ACE2. We show that, surprisingly, P.1 is significantly less resistant to naturally acquired or vaccine induced antibody responses than B.1.351 suggesting that changes outside the RBD impact neutralisation. Monoclonal antibody 222 neutralises all three variants despite interacting with two of the ACE2 binding site mutations, we explain this through structural analysis and use the 222 light chain to largely restore neutralization potency to a major class of public antibodies.

Infection with Zika virus (ZIKV) manifests in a broad spectrum of disease ranging from mild illness to severe neurological complications. To define immunologic correlates of ZIKV infection, we characterized the levels of circulating cytokines, chemokines and growth factors in 54 infected patients of both genders, at five different time-points after symptoms onset using microbeads multiplex immunoassay; statistical analysis and data mining compared to 100 age-matched controls. ZIKV-infected patients present a striking systemic inflammatory response with high levels of pro-inflammatory mediators. Despite the strong inflammatory pattern, IL-1Ra and IL-4 are also induced during acute infection. Interestingly, the inflammatory cytokines, IL-1, IL-13, IL-17, TNF-α, IFN-α; chemokines, CXCL8, CCL2, CCL5; and the growth factor G-CSF display a bimodal distribution accompanying viremia. While this is the first manuscript to document bimodal distributions of viremia in ZIKV infection, bimodal viremia has been documented in other viral infections with primary viremia peaks during mild systemic disease and a secondary viremia with distribution of the virus to organs and tissues. Moreover, biomarker network analysis demonstrated distinct dynamics in consonance with the bimodal viremia profiles at different time-points during ZIKV infection. Such robust cytokine and chemokine response has been associated with blood-brain barrier permeability and neuroinvasiveness in other flaviviral infections. High-dimensional data analysis further established CXCL10, a chemokine involved in fetal neuron apoptosis and Guillain-Barré syndrome, as the most promising biomarker of acute ZIKV infection for a potential clinical application.

Background Since its first detection in the Caribbean in late 2013, chikungunya virus (CHIKV) has affected 51 countries in the Americas. The CHIKV epidemic in the Americas was caused by the CHIKV-Asian genotype. In August 2014, local transmission of the CHIKV-Asian genotype was detected in the Brazilian Amazon region. However, a distinct lineage, the CHIKV-East-Central-South-America (ECSA)-genotype, was detected nearly simultaneously in Feira de Santana, Bahia state, northeast Brazil. The genomic diversity and the dynamics of CHIKV in the Brazilian Amazon region remains poorly understood despite its importance to better understand the epidemiological spread and public health impact of CHIKV in the country. Methodology/Principal Findings We report a large CHIKV outbreak (5,928 notified cases between August 2014 and August 2018) in Boa vista municipality, capital city of Roraima’s state, located in the Brazilian Amazon region. In just 48 hours, we generated 20 novel CHIKV-ECSA genomes from the Brazilian Amazon region using MinION portable genome sequencing. Phylogenetic analyses revealed that despite an early introduction of the Asian genotype in 2015 in Roraima, the large CHIKV outbreak in 2017 in Boa Vista was caused by an ECSA-lineage most likely introduced from northeastern Brazil. Epidemiological analyses suggest a basic reproductive number of R0 of 1.66, which translates in an estimated 39 (95% CI: 36 to 45) % of Roraima’s population infected with CHIKV-ECSA. Finally, we find a strong association between Google search activity and the local laboratory-confirmed CHIKV cases in Roraima. Conclusions/Significance This study highlights the potential of combining traditional surveillance with portable genome sequencing technologies and digital epidemiology to inform public health surveillance in the Amazon region. Our data reveal a large CHIKV-ECSA outbreak in Boa Vista, limited potential for future CHIKV outbreaks, and indicate a replacement of the Asian genotype by the ECSA genotype in the Amazon region.

Measles is a human infectious disease of global concern caused by the measles virus. In this study, we report the complete genome sequencing of one measles isolate, genotype D8, obtained in Boa Vista city, the capital of the Roraima State, Brazil, directly from the urine sample. Phylogenetics reconstruction grouped the genome described in this study with samples from Australia, Italy, United Kingdom, and the USA. To our knowledge, this is the first complete genome of a wild-type measles virus from Latin America. Therefore, the present data strengthens the current knowledge about the molecular epidemiology of measles worldwide.