Evolution of Ebola virus over time The high rate of mortality in the current Ebola epidemic has made it difficult for researchers to collect samples of the virus and study its evolution. Gire et al. describe Ebola epidemiology on the basis of 99 whole-genome sequences, including samples from 78 affected individuals. The authors analyzed changes in the viral sequence and conclude that the current outbreak probably resulted from the spread of the virus from central Africa in the past decade. The outbreak started from a single transmission event from an unknown animal reservoir into the human population. Two viral lineages from Guinea then spread from person to person into Sierra Leone. Science , this issue p. 1369

Genome sequencing has become a powerful tool for studying emerging infectious diseases; however, genome sequencing directly from clinical samples (i.e., without isolation and culture) remains challenging for viruses such as Zika, for which metagenomic sequencing methods may generate insufficient numbers of viral reads. Here we present a protocol for generating coding-sequence-complete genomes, comprising an online primer design tool, a novel multiplex PCR enrichment protocol, optimized library preparation methods for the portable MinION sequencer (Oxford Nanopore Technologies) and the Illumina range of instruments, and a bioinformatics pipeline for generating consensus sequences. The MinION protocol does not require an Internet connection for analysis, making it suitable for field applications with limited connectivity. Our method relies on multiplex PCR for targeted enrichment of viral genomes from samples containing as few as 50 genome copies per reaction. Viral consensus sequences can be achieved in 1-2 d by starting with clinical samples and following a simple laboratory workflow. This method has been successfully used by several groups studying Zika virus evolution and is facilitating an understanding of the spread of the virus in the Americas. The protocol can be used to sequence other viral genomes using the online Primal Scheme primer designer software. It is suitable for sequencing either RNA or DNA viruses in the field during outbreaks or as an inexpensive, convenient method for use in the lab.

How viruses evolve within hosts can dictate infection outcomes; however, reconstructing this process is challenging. We evaluate our multiplexed amplicon approach, PrimalSeq, to demonstrate how virus concentration, sequencing coverage, primer mismatches, and replicates influence the accuracy of measuring intrahost virus diversity. We develop an experimental protocol and computational tool, iVar, for using PrimalSeq to measure virus diversity using Illumina and compare the results to Oxford Nanopore sequencing. We demonstrate the utility of PrimalSeq by measuring Zika and West Nile virus diversity from varied sample types and show that the accumulation of genetic diversity is influenced by experimental and biological systems.

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.

Limited clinical and laboratory data are available on patients with Ebola virus disease (EVD). The Kenema Government Hospital in Sierra Leone, which had an existing infrastructure for research regarding viral hemorrhagic fever, has received and cared for patients with EVD since the beginning of the outbreak in Sierra Leone in May 2014.

Although studies have identified hundreds of loci associated with human traits and diseases, pinpointing causal alleles remains difficult, particularly for non-coding variants. To address this challenge, we adapted the massively parallel reporter assay (MPRA) to identify variants that directly modulate gene expression. We applied it to 32,373 variants from 3,642 cis-expression quantitative trait loci and control regions. Detection by MPRA was strongly correlated with measures of regulatory function. We demonstrate MPRA's capabilities for pinpointing causal alleles, using it to identify 842 variants showing differential expression between alleles, including 53 well-annotated variants associated with diseases and traits. We investigated one in detail, a risk allele for ankylosing spondylitis, and provide direct evidence of a non-coding variant that alters expression of the prostaglandin EP4 receptor. These results create a resource of concrete leads and illustrate the promise of this approach for comprehensively interrogating how non-coding polymorphism shapes human biology.

The 2013–2016 West African epidemic caused by the Ebola virus was of unprecedented magnitude, duration and impact. Here we reconstruct the dispersal, proliferation and decline of Ebola virus throughout the region by analysing 1,610 Ebola virus genomes, which represent over 5% of the known cases. We test the association of geography, climate and demography with viral movement among administrative regions, inferring a classic ‘gravity’ model, with intense dispersal between larger and closer populations. Despite attenuation of international dispersal after border closures, cross-border transmission had already sown the seeds for an international epidemic, rendering these measures ineffective at curbing the epidemic. We address why the epidemic did not spread into neighbouring countries, showing that these countries were susceptible to substantial outbreaks but at lower risk of introductions. Finally, we reveal that this large epidemic was a heterogeneous and spatially dissociated collection of transmission clusters of varying size, duration and connectivity. These insights will help to inform interventions in future epidemics. Frequent dispersal and short-lived local transmission clusters fuelled the 2013–2016 Ebola virus epidemic in Guinea, Liberia and Sierra Leone. Understanding how and why viruses spread during epidemics is crucial for planning how to prevent and respond to future threats. Andrew Rambaut and colleagues provide an overview of the genetic epidemiology of the 2013–2016 epidemic caused by Ebola virus in West Africa. By analysing more than 1,600 Ebola virus genomes, the authors determine the factors that were important in the spread of the epidemic and also explain why the virus did not spread into neighbouring countries.

One hundred and ten Zika virus genomes from ten countries and territories involved in the Zika virus epidemic reveal rapid expansion of the epidemic within Brazil and multiple introductions to other 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. Although the recent Zika virus (ZIKV) epidemic in the Americas and its link to birth defects have attracted a great deal of attention1,2, much remains unknown about ZIKV disease epidemiology and ZIKV evolution, in part owing to a lack of genomic data. Here we address this gap in knowledge by using multiple sequencing approaches to generate 110 ZIKV genomes from clinical and mosquito samples from 10 countries and territories, greatly expanding the observed viral genetic diversity from this outbreak. We analysed the timing and patterns of introductions into distinct geographic regions; our phylogenetic evidence suggests rapid expansion of the outbreak in Brazil and multiple introductions of outbreak strains into Puerto Rico, Honduras, Colombia, other Caribbean islands, and the continental United States. We find that ZIKV circulated undetected in multiple regions for many months before the first locally transmitted cases were confirmed, highlighting the importance of surveillance of viral infections. We identify mutations with possible functional implications for ZIKV biology and pathogenesis, as well as those that might be relevant to the effectiveness of diagnostic tests.

Although several hundred regions of the human genome harbor signals of positive natural selection, few of the relevant adaptive traits and variants have been elucidated. Using full-genome sequence variation from the 1000 Genomes (1000G) Project and the composite of multiple signals (CMS) test, we investigated 412 candidate signals and leveraged functional annotation, protein structure modeling, epigenetics, and association studies to identify and extensively annotate candidate causal variants. The resulting catalog provides a tractable list for experimental follow-up; it includes 35 high-scoring nonsynonymous variants, 59 variants associated with expression levels of a nearby coding gene or lincRNA, and numerous variants associated with susceptibility to infectious disease and other phenotypes. We experimentally characterized one candidate nonsynonymous variant in Toll-like receptor 5 (TLR5) and show that it leads to altered NF-κB signaling in response to bacterial flagellin.PaperFlickeyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiJlMjc3ZmNjYzQ0ODExODg0ZjE0ZmY4YjcwNjkwMWQ2NCIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4MTc0MDM1fQ.Z6m8VPnzVlxzODAEd4jWpARq4Y0XIKe3wDgGn3_Qa5ojNiW5Ns6ovLs9-TDY7f9xq7H2KgZl6GDhVJn633C-UhTzGLEFo7_f6lgDV7-LspfWgI7v8bTX8Phi5kTioXSbHU_7UdWwzaM3vELD3UtipDAXzF9tJvgA8T6sc8zN5b4csX-b8CBBCyojTeHW8JraSqOZEdwAHFPOz0taVia8oh-SCpeg9kfmUJRo88Wn84jjGqx49AZJxGBIgYJJ9AqN60jSms6eg3CLR8N2iiConGAQoWTcz2EeX8-q6Ro9bXkszcR6epyrcDp9LHqNaMJM1Us_0JT5AfogG4aHPIy4Lg(mp4, (67.08 MB) Download video

The highly transmissible B.1.1.7 variant of SARS-CoV-2, first identified in the United Kingdom, has gained a foothold across the world. Using S gene target failure (SGTF) and SARS-CoV-2 genomic sequencing, we investigated the prevalence and dynamics of this variant in the United States (US), tracking it back to its early emergence. We found that, while the fraction of B.1.1.7 varied by state, the variant increased at a logistic rate with a roughly weekly doubling rate and an increased transmission of 40%-50%. We revealed several independent introductions of B.1.1.7 into the US as early as late November 2020, with community transmission spreading it to most states within months. We show that the US is on a similar trajectory as other countries where B.1.1.7 became dominant, requiring immediate and decisive action to minimize COVID-19 morbidity and mortality.