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.

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.

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 With the development of transcriptomic technologies, we are able to quantify precise changes in gene expression profiles from astronauts and other organisms exposed to spaceflight. Members of NASA GeneLab and GeneLab-associated analysis working groups (AWGs) have developed a consensus pipeline for analyzing short-read RNA-sequencing data from spaceflight-associated experiments. The pipeline includes quality control, read trimming, mapping, and gene quantification steps, culminating in the detection of differentially expressed genes. This data analysis pipeline and the results of its execution using data submitted to GeneLab are now all publicly available through the GeneLab database. We present here the full details and rationale for the construction of this pipeline in order to promote transparency, reproducibility and reusability of pipeline data, to provide a template for data processing of future spaceflight-relevant datasets, and to encourage cross-analysis of data from other databases with the data available in GeneLab.

Abstract Birth defects are functional and structural abnormalities that impact 1 in 33 births in the United States. Birth defects have been attributed to genetic as well as other factors, but for most birth defects there are no known causes. Small molecule drugs, cosmetics, foods, and environmental pollutants may cause birth defects when the mother is exposed to them during pregnancy. These molecules may interfere with the process of normal fetal development. To characterize associations between small molecule compounds and their potential to induce specific birth abnormalities, we gathered knowledge from multiple sources to construct a reproductive toxicity Knowledge Graph (ReproTox-KG) with an initial focus on associations between birth defects, drugs, and genes. Specifically, to construct ReproTox-KG we gathered data from drug/birth-defect associations from co-mentions in published abstracts, gene/birth-defect associations from genetic studies, drug- and preclinical-compound-induced gene expression data, known drug targets, genetic burden scores for all human genes, and placental crossing scores for all small molecules in ReproTox-KG. Using the data stored within ReproTox-KG, we scored 30,000 preclinical small molecules for their potential to induce birth defects. Querying the ReproTox-KG, we identified over 500 birth-defect/gene/drug cliques that can be used to explain molecular mechanisms for drug-induced birth defects. The ReproTox-KG is provided as curated tables and via a web-based user interface that can enable users to explore the associations between birth defects, approved and preclinical drugs, and human genes.

Viruses can subvert a number of cellular processes in order to block innate antiviral responses, and many viruses interact with cellular splicing machinery. SARS-CoV-2 infection was shown to suppress global mRNA splicing, and at least 10 SARS-CoV-2 proteins bind specifically to one or more human RNAs. Here, we investigate 17 published experimental and clinical datasets related to SARS-CoV-2 infection as well as datasets from the betacoronaviruses SARS-CoV and MERS as well as Streptococcus pneumonia, HCV, Zika virus, Dengue virus, influenza H3N2, and RSV. We show that genes showing differential alternative splicing in SARS-CoV-2 have a similar functional profile to those of SARS-CoV and MERS and affect a diverse set of genes and biological functions, including many closely related to virus biology. Additionally, the differentially spliced transcripts of cells infected by coronaviruses were more likely to undergo intron-retention, contain a pseudouridine modification and a smaller number of exons than differentially spliced transcripts in the control groups. Viral load in clinical COVID-19 samples was correlated with isoform distribution of differentially spliced genes. A significantly higher number of ribosomal genes are affected by DAS and DGE in betacoronavirus samples, and the betacoronavirus differentially spliced genes are depleted for binding sites of RNA-binding proteins. Our results demonstrate characteristic patterns of differential splicing in cells infected by SARS-CoV-2, SARS-CoV, and MERS, potentially modifying a broad range of cellular functions and affecting a diverse set of genes and biological functions.

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.

Abstract Chemical modifications of RNA 5′ ends enable “epitranscriptomic” regulation, influencing multiple aspects of RNA fate. In transcription initiation, a large inventory of substrates compete with nucleoside triphosphates (NTPs) for use as initiating entities, providing an ab initio mechanism for altering the RNA 5′ end. In Escherichia coli cells, RNAs with a 5′-end hydroxyl are generated by use of dinucleotide RNAs as primers for transcription initiation, “primer-dependent initiation.” Here we use massively systematic transcript end readout (“MASTER”) to detect and quantify RNA 5′ ends generated by primer-dependent initiation for ~4 10 (~1,000,000) promoter sequences in E. coli . The results show primer-dependent initiation in E. coli involves any of the 16 possible dinucleotide primers and depends on promoter sequences in, upstream, and downstream of the primer binding site. The results yield a consensus sequence for primer-dependent initiation, Y TSS-2 N TSS-1 N TSS W TSS+1 , where TSS is the transcription start site, N TSS-1 N TSS is the primer binding site, Y is pyrimidine, and W is A or T. Biochemical and structure-determination studies show that the base pair (nontemplate-strand base:template-strand base) immediately upstream of the primer binding site (Y:R TSS-2 , where R is purine) exerts its effect through the base on the DNA template strand (R TSS-2 ) through inter-chain base stacking with the RNA primer. Results from analysis of a large set of natural, chromosomally-encoded E . coli promoters support the conclusions from MASTER. Our findings provide a mechanistic and structural description of how TSS-region sequence hard-codes not only the TSS position, but also the potential for epitranscriptomic regulation through primer-dependent transcription initiation.

Aberrant splicing is a hallmark of leukemias with mutations in splicing factor (SF)-encoding genes. Here we investigated its prevalence in pediatric B-cell acute lymphoblastic leukemias (B-ALL), where SFs are not mutated. By comparing them to normal pro-B cells, we found thousands of aberrant local splice variations (LSVs) per sample, with 279 LSVs in 241 genes present in every comparison. These genes were enriched in RNA processing pathways and encoded ~100 SFs, e.g. hnRNPA1. hnRNPA1 3'UTR was pervasively misspliced, yielding the transcript subject to nonsense-mediated decay. Thus, we knocked it down in B-lymphoblastoid cells, identified 213 hnRNPA1-dependent splicing events, and defined the hnRNPA1 splicing signature in pediatric leukemias. One of its elements was DICER1, a known tumor suppressor gene; its LSVs were consistent with reduced translation of DICER1 mRNA. Additionally, we searched for LSVs in other leukemia and lymphoma drivers and discovered 81 LSVs in 41 genes. 77 LSVs were confirmed using two large independent B-ALL RNA-seq datasets. In fact, the twenty most common B-ALL drivers showed higher prevalence of aberrant splicing than of somatic mutations. Thus, post-transcriptional deregulation of SF can drive widespread changes in B-ALL splicing and likely contribute to disease pathogenesis.

Nucleoside-containing metabolites such as NAD+ can be incorporated as "5' caps" on RNA by serving as non canonical initiating nucleotides (NCINs) for transcription initiation by RNA polymerase (RNAP). Here, we report "CapZyme-Seq," a high-throughput-sequencing method that employs NCIN-decapping enzymes NudC and Rai1 to detect and quantify NCIN-capped RNA. By combining CapZyme-Seq with multiplexed transcriptomics, we determine efficiencies of NAD+ capping by Escherichia coli RNAP for ~16,000 promoter sequences. The results define preferred transcription start-site (TSS) positions for NAD+ capping and define a consensus promoter sequence for NAD+ capping: HRRASWW (where A is the TSS). By applying CapZyme-Seq to E. coli total cellular RNA, we establish that sequence determinants for NCIN capping in vivo match the NAD+-capping consensus defined in vitro, and we identify and quantify NCIN-capped small RNAs. Our findings define the promoter-sequence determinants for NCIN capping with NAD+ and provide a general method for analysis of NCIN capping in vitro and in vivo.