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.

Abstract As spaceflight becomes more common with commercial crews, blood-based measures of crew health can guide both astronaut biomedicine and countermeasures. By profiling plasma proteins, metabolites, and extracellular vesicles/particles (EVPs) from the SpaceX Inspiration4 crew, we generated “spaceflight secretome profiles,” which showed significant differences in coagulation, oxidative stress, and brain-enriched proteins. While >93% of differentially abundant proteins (DAPs) in vesicles and metabolites recovered within six months, the majority (73%) of plasma DAPs were still perturbed post-flight. Moreover, these proteomic alterations correlated better with peripheral blood mononuclear cells than whole blood, suggesting that immune cells contribute more DAPs than erythrocytes. Finally, to discern possible mechanisms leading to brain-enriched protein detection and blood-brain barrier (BBB) disruption, we examined protein changes in dissected brains of spaceflight mice, which showed increases in PECAM-1, a marker of BBB integrity. These data highlight how even short-duration spaceflight can disrupt human and murine physiology and identify spaceflight biomarkers that can guide countermeasure development.

MicroRNAs (miRNAs) are small non-coding RNAs involved in post-transcriptional gene regulation that have a major impact on many diseases and provides an exciting avenue towards antiviral therapeutics. From patient transcriptomic data, we have discovered a circulating miRNA, miR-2392, that is directly involved with SARS-CoV-2 machinery during host infection. Specifically, we show that miR-2392 is key in driving downstream suppression of mitochondrial gene expression, increasing inflammation, glycolysis, and hypoxia as well as promoting many symptoms associated with COVID-19 infection. We demonstrate miR-2392 is present in the blood and urine of COVID-19 positive patients, but not detected in COVID-19 negative patients. These findings indicate the potential for developing a novel, minimally invasive, COVID-19 detection method. Lastly, using in vitro human and in vivo hamster models, we have developed a novel miRNA-based antiviral therapeutic that targets miR-2392, significantly reduces SARS-CoV-2 viability in hamsters and may potentially inhibit a COVID-19 disease state in humans.

SUMMARY Cytokine storm precipitated by activation of the host innate immune defenses is a major cause of COVID19 death. To elucidate how SARS-CoV-2 initiates this inflammatory process, we studied viroporin proteins E and Orf3a (2-E+2-3a). Expression of 2-E+2-3a in human 293T cells resulted in increased cytosolic Ca ++ and then elevated mitochondrial Ca ++ , taken up through the MUCi11-sensitive mitochondrial calcium uniporter (MCU). Increased mitochondrial Ca ++ resulted in stimulation of mitochondrial reactive oxygen species (mROS) production, which was blocked by mitochondrially-targeted catalase or MnTBAP. To determined how mROS activates the inflammasome, we transformed 293T cells with NLRP3, ASC, pro-caspase-1 and pro-IL-1β plus used THP1 derived macrophages to monitor the secretion of mature IL-1β. This revealed that mROS activates a factor that is released via the NIM811-sensitive mitochondrial permeability pore (mtPTP) to activate the inflammasome. Hence, interventions targeting mROS and the mtPTP may mitigate the severity of COVID19 cytokine storms.

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.

Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection inhibits mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) and elevates mitochondrial reactive oxygen species (ROS, mROS) which activates hypoxia-inducible factor-1alpha (HIF-1α), shifting metabolism toward glycolysis to drive viral biogenesis but also causing the release of mitochondrial DNA (mtDNA) and activation of innate immunity. To determine whether mitochondrially targeted antioxidants could mitigate these viral effects, we challenged mice expressing human angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) with SARS-CoV-2 and intervened using transgenic and pharmacological mitochondrially targeted catalytic antioxidants. Transgenic expression of mitochondrially targeted catalase (mCAT) or systemic treatment with EUK8 decreased weight loss, clinical severity, and circulating levels of mtDNA; as well as reduced lung levels of HIF-1α, viral proteins, and inflammatory cytokines. RNA-sequencing of infected lungs revealed that mCAT and Eukarion 8 (EUK8) up-regulated OXPHOS gene expression and down-regulated HIF-1α and its target genes as well as innate immune gene expression. These data demonstrate that SARS-CoV-2 pathology can be mitigated by catalytically reducing mROS, potentially providing a unique host-directed pharmacological therapy for COVID-19 which is not subject to viral mutational resistance.

Lethal COVID-19 causation most often invokes classic cytokine storm and attendant excessive immune signaling. We re-visit this question using RNA sequencing in nasopharyngeal and 40 autopsy samples from both COVID-19-positive and negative individuals. In nasal swabs, the top 100 genes expressed, and significantly correlated with COVID-19 viral load, indeed include many canonical innate immune genes. However, 22 much less studied "non-canonical" genes are found and despite the absence of viral transcripts, subsets of these are upregulated in heart, lung, kidney, and liver, but not mediastinal lymph nodes. An important regulatory potential emerges for the non-canonical genes for over-activating the renin-angiotensin-activation-system (RAAS) pathway, resembling this phenomenon in hereditary angioedema (HAE) and its overlapping multiple features with lethal COVID-19 infections. Specifically, RAAS overactivation links increased fibrin deposition, leaky vessels, thrombotic tendency, and initiating the PANoptosis death pathway, as suggested in heart, lung, and especially mediastinal lymph nodes, and a tight association mitochondrial dysfunction linked to immune responses. For mediastinal lymph nodes, immunohistochemistry studies correlate showing abnormal architecture, excess fibrin and collagen deposition, and pathogenic fibroblasts. Further, our findings overlap these for COVID-19 infected hamsters, C57BL/6 and BALB/c mouse models, and importantly peripheral blood mononuclear cell (PBMC) and whole blood samples from COVID-19 patients infected with early alpha but also later COVID-19 omicron strains. We thus present cytokine storm in lethal COVID-19 disease as an interplay between upstream immune gene signaling producing downstream RAAS overactivation with resultant severe organ damage, especially compromising mediastinal lymph node function.

Species-specific genes are ubiquitous in evolution, with functions ranging from prey paralysis to survival in subzero temperatures. Because they are typically expressed under limited conditions and lack canonical features, such genes may be vastly under-identified, even in humans. Here, we leverage terabytes of human RNA-Seq data to identify thousands of highly-expressed transcripts that do not correspond to any Gencode-annotated gene. Many may be novel ncRNAs although 80% of them contain ORFs that have the potential of encoding proteins unique to Homo sapiens (orphan genes). We validate our findings with independent strand-specific and single-cell RNA-seq datasets. Hundreds of these novel transcripts overlap with deleterious genomic variants; thousands show significant association with disease-specific patient survival. Most are dynamically regulated and accumulate selectively in particular tissues, cell-types, developmental stages, tumors, COVID-19, sex, and ancestries. As such, these transcripts hold potential as diagnostic biomarkers or therapeutic targets. To empower future discovery, we provide a compendium of these huge RNA-Seq expression data, and RiboSeq data, with associated metadata. Further, we supply the gene models for the novel genes as UCSC Genome Browser tracks.

The yellow fever virus 17D (YFV-17D) live attenuated vaccine is considered one of the successful vaccines ever generated associated with high antiviral immunity, yet the signaling mechanisms that drive the response in infected cells are not understood. Here, we provide a molecular understanding of how metabolic stress and innate immune responses are linked to drive type I IFN expression in response to YFV-17D infection. Comparison of YFV-17D replication with its parental virus, YFV-Asibi, and a related dengue virus revealed that IFN expression requires RIG-I-like Receptor signaling through MAVS, as expected. However, YFV-17D uniquely induces mitochondrial respiration and major metabolic perturbations, including hyperactivation of electron transport to fuel ATP synthase. Mitochondrial hyperactivity generates reactive oxygen species (mROS) and peroxynitrite, blocking of which abrogated IFN expression in non-immune cells without reducing YFV-17D replication. Scavenging ROS in YFV-17D-infected human dendritic cells increased cell viability yet globally prevented expression of IFN signaling pathways. Thus, adaptation of YFV-17D for high growth uniquely imparts mitochondrial hyperactivity generating mROS and peroxynitrite as the critical messengers that convert a blunted IFN response into maximal activation of innate immunity essential for vaccine effectiveness.