Summary Prolonged SARS-CoV-2 RNA shedding and recurrence of PCR-positive tests have been widely reported in patients after recovery, yet these patients most commonly are non-infectious 1–14 . Here we investigated the possibility that SARS-CoV-2 RNAs can be reverse-transcribed and integrated into the human genome and that transcription of the integrated sequences might account for PCR-positive tests. In support of this hypothesis, we found chimeric transcripts consisting of viral fused to cellular sequences in published data sets of SARS-CoV-2 infected cultured cells and primary cells of patients, consistent with the transcription of viral sequences integrated into the genome. To experimentally corroborate the possibility of viral retro-integration, we describe evidence that SARS-CoV-2 RNAs can be reverse transcribed in human cells by reverse transcriptase (RT) from LINE-1 elements or by HIV-1 RT, and that these DNA sequences can be integrated into the cell genome and subsequently be transcribed. Human endogenous LINE-1 expression was induced upon SARS-CoV-2 infection or by cytokine exposure in cultured cells, suggesting a molecular mechanism for SARS-CoV-2 retro-integration in patients. This novel feature of SARS-CoV-2 infection may explain why patients can continue to produce viral RNA after recovery and suggests a new aspect of RNA virus replication.

COVID-19 has impacted billions of people in the world since 2019 and unfolded a major healthcare crisis. With an increasing number of deaths and the emergence of more transmissible variants, it is crucial to better understand the biology of the disease-causing virus, the SARS-CoV-2. Peripheral neuropathies appeared as a specific COVID-19 symptom occurring at later stages of the disease. In order to understand the impact of SARS-CoV-2 on the peripheral nervous system, we generated human sensory neurons from induced pluripotent stem cells that we infected with the SARS-CoV-2 strain WA1/2020 and the variants delta and omicron. Using single cell RNA sequencing, we found that human sensory neurons can be infected by SARS-CoV-2 but are unable to produce new viruses. Our data suggests that sensory neurons can be infected by the original WA1/2020 strain of SARS-CoV-2 as well as the delta and omicron variants.

SARS-CoV-2 sequences can be reverse-transcribed and integrated into the genomes of virus-infected cells by a LINE1-mediated retrotransposition mechanism. Whole genome sequencing (WGS) methods detected retrotransposed SARS-CoV-2 subgenomic sequences in virus-infected cells overexpressing LINE1, while an enrichment method (TagMap) identified retrotranspositions in cells that did not overexpress LINE1. LINE1 overexpression increased retrotranspositions about 1,000-fold as compared to non-overexpressing cells. Nanopore WGS can directly recover retrotransposed viral and flanking host sequences but its sensitivity depends on the depth of sequencing (a typical 20-fold sequencing depth would only examine 10 diploid cell equivalents). In contrast, TagMap enriches for the host-virus junctions and can interrogate up to 20,000 cells and is able to detect rare viral retrotranspositions in LINE1 non-overexpressing cells. Although Nanopore WGS is 10 - 20-fold more sensitive per tested cell, TagMap can interrogate 1,000 - 2,000-fold more cells and therefore can identify infrequent retrotranspositions. When comparing SARS-CoV-2 infection and viral nucleocapsid mRNA transfection by TagMap, retrotransposed SARS-CoV-2 sequences were only detected in infected but not in transfected cells. Retrotransposition in virus-infected in contrast to transfected cells may be facilitated because virus infection in contrast to viral RNA transfection results in significantly higher viral RNA levels and stimulates LINE1-expression which causes cellular stress.

Although respiratory symptoms are the most prevalent disease manifestation of infection by Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2), nearly 20% of hospitalized patients are at risk for thromboembolic events 1 . This prothrombotic state is considered a key factor in the increased risk of stroke, which has been observed clinically during both acute infection and long after symptoms have cleared 2 . Here we developed a model of SARS-CoV-2 infection using human-induced pluripotent stem cell-derived endothelial cells, pericytes, and smooth muscle cells to recapitulate the vascular pathology associated with SARS-CoV-2 exposure. Our results demonstrate that perivascular cells, particularly smooth muscle cells (SMCs), are a specifically susceptible vascular target for SARS-CoV-2 infection. Utilizing RNA sequencing, we characterized the transcriptomic changes accompanying SARS-CoV-2 infection of SMCs, and endothelial cells (ECs). We observed that infected human SMCs shift to a pro-inflammatory state and increase the expression of key mediators of the coagulation cascade. Further, we showed human ECs exposed to the secretome of infected SMCs produce hemostatic factors that can contribute to vascular dysfunction, despite not being susceptible to direct infection. The findings here recapitulate observations from patient sera in human COVID-19 patients and provide mechanistic insight into the unique vascular implications of SARS-CoV-2 infection at a cellular level.