Continued uncontrolled transmission of SARS-CoV-2 in many parts of the world is creating conditions for substantial evolutionary changes to the virus1,2. Here we describe a newly arisen lineage of SARS-CoV-2 (designated 501Y.V2; also known as B.1.351 or 20H) that is defined by eight mutations in the spike protein, including three substitutions (K417N, E484K and N501Y) at residues in its receptor-binding domain that may have functional importance3-5. This lineage was identified in South Africa after the first wave of the epidemic in a severely affected metropolitan area (Nelson Mandela Bay) that is located on the coast of the Eastern Cape province. This lineage spread rapidly, and became dominant in Eastern Cape, Western Cape and KwaZulu-Natal provinces within weeks. Although the full import of the mutations is yet to be determined, the genomic data-which show rapid expansion and displacement of other lineages in several regions-suggest that this lineage is associated with a selection advantage that most plausibly results from increased transmissibility or immune escape6-8.

Abstract The SARS-CoV-2 epidemic in southern Africa has been characterized by three distinct waves. The first was associated with a mix of SARS-CoV-2 lineages, while the second and third waves were driven by the Beta (B.1.351) and Delta (B.1.617.2) variants, respectively 1–3 . In November 2021, genomic surveillance teams in South Africa and Botswana detected a new SARS-CoV-2 variant associated with a rapid resurgence of infections in Gauteng province, South Africa. Within three days of the first genome being uploaded, it was designated a variant of concern (Omicron, B.1.1.529) by the World Health Organization and, within three weeks, had been identified in 87 countries. The Omicron variant is exceptional for carrying over 30 mutations in the spike glycoprotein, which are predicted to influence antibody neutralization and spike function 4 . Here we describe the genomic profile and early transmission dynamics of Omicron, highlighting the rapid spread in regions with high levels of population immunity.

Abstract Three lineages (BA.1, BA.2 and BA.3) of the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) Omicron variant of concern predominantly drove South Africa’s fourth Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) wave. We have now identified two new lineages, BA.4 and BA.5, responsible for a fifth wave of infections. The spike proteins of BA.4 and BA.5 are identical, and similar to BA.2 except for the addition of 69–70 deletion (present in the Alpha variant and the BA.1 lineage), L452R (present in the Delta variant), F486V and the wild-type amino acid at Q493. The two lineages differ only outside of the spike region. The 69–70 deletion in spike allows these lineages to be identified by the proxy marker of S-gene target failure, on the background of variants not possessing this feature. BA.4 and BA.5 have rapidly replaced BA.2, reaching more than 50% of sequenced cases in South Africa by the first week of April 2022. Using a multinomial logistic regression model, we estimated growth advantages for BA.4 and BA.5 of 0.08 (95% confidence interval (CI): 0.08–0.09) and 0.10 (95% CI: 0.09–0.11) per day, respectively, over BA.2 in South Africa. The continued discovery of genetically diverse Omicron lineages points to the hypothesis that a discrete reservoir, such as human chronic infections and/or animal hosts, is potentially contributing to further evolution and dispersal of the virus.

Abstract Genomic sequencing is essential to track the evolution and spread of SARS-CoV-2, optimize molecular tests, treatments, vaccines, and guide public health responses. To investigate the global SARS-CoV-2 genomic surveillance, we used sequences shared via GISAID to estimate the impact of sequencing intensity and turnaround times on variant detection in 189 countries. In the first two years of the pandemic, 78% of high-income countries sequenced >0.5% of their COVID-19 cases, while 42% of low- and middle-income countries reached that mark. Around 25% of the genomes from high income countries were submitted within 21 days, a pattern observed in 5% of the genomes from low- and middle-income countries. We found that sequencing around 0.5% of the cases, with a turnaround time <21 days, could provide a benchmark for SARS-CoV-2 genomic surveillance. Socioeconomic inequalities undermine the global pandemic preparedness, and efforts must be made to support low- and middle-income countries improve their local sequencing capacity.

Neutralization escape by SARS-CoV-2 variants, as has been observed in the 501Y.V2 (B.1.351) variant, has impacted the efficacy of first generation COVID-19 vaccines. Here, the antibody response to the 501Y.V2 variant was examined in a cohort of patients hospitalized with COVID-19 in early 2021 - when over 90% of infections in South Africa were attributed to 501Y.V2. Robust binding and neutralizing antibody titers to the 501Y.V2 variant were detected and these binding antibodies showed high levels of cross-reactivity for the original variant, from the first wave. In contrast to an earlier study where sera from individuals infected with the original variant showed dramatically reduced potency against 501Y.V2, sera from 501Y.V2-infected patients maintained good cross-reactivity against viruses from the first wave. Furthermore, sera from 501Y.V2-infected patients also neutralized the 501Y.V3 (P.1) variant first described in Brazil, and now circulating globally. Collectively these data suggest that the antibody response in patients infected with 501Y.V2 has a broad specificity and that vaccines designed with the 501Y.V2 sequence may elicit more cross-reactive responses.

Summary Vegetative desiccation tolerance, the ability to survive loss of over 90% of cellular water, is an extremely rare trait in Angiosperms. Xerophyta schlechteri survives such extreme water deficit by entering prolonged quiescence and suppressing drought-induced senescence in most of the leaf area, except the apical tip. Information on the molecular regulation of senescence in such plants is scarce and this is the first study to investigate such regulation in senescing and non-senescing tissues of the same leaf. Genome-wide RNA sequencing enabled comparison of senescent and non-senescent tissues during desiccation and early rehydration, establishment of the water content range in which senescence is initiated and identification of molecular mechanisms employed to bring about cellular death. Senescence-associated genes ( Xs SAG) specific to this species were identified and two potential regulatory sites were enriched in regions upstream to these Xs SAGs, allowing us to create a model of senescence regulation in X. schlechteri based on homology with known Arabidopsis senescence regulators. We hypothesise that desiccation-driven senescence occurs as a result of a convergence of signals around MAPK6 to trigger WRKY-mediated ethylene synthesis and Xs SAG expression, not unlike aging and stress-related senescence in Arabidopsis, but at remarkably lower water contents (<35% RWC).

Abstract Most of the attention in the surveillance of evolution of SARS-CoV-2 has been centered on single nucleotide substitutions in the spike glycoprotein. We show that in-frame deletions (IFDs) also play a significant role in the evolution of viral genome. The percentage of genomes and lineages with IFDs is growing rapidly and they co-occur independently in multiple lineages, including emerging variants of concerns. IFDs distribution is correlated with spike mutations associated with immune escape and concentrated in proteins involved in interactions with the host immune system. Structural analysis suggests that IFDs remodel viral proteins’ surfaces at common epitopes and interaction interfaces, affecting the virus’ interactions with the immune system. We hypothesize that the increased frequency of IFDs is an adaptive response to elevated global population immunity. Summary Monitoring of SARS-CoV-2 genome evolution uncovers increased frequency and non-random distribution of in-frame deletions in recently emerged lineages.

The SARS-CoV-2 genome occupies a unique place in infection biology - it is the most highly sequenced genome on earth (making up over 20% of public sequencing datasets) with fine scale information on sampling date and geography, and has been subject to unprecedented intense analysis. As a result, these phylogenetic data are an incredibly valuable resource for science and public health. However, the vast majority of the data was sequenced by tiling amplicons across the full genome, with amplicon schemes that changed over the pandemic as mutations in the viral genome interacted with primer binding sites. In combination with the disparate set of genome assembly workflows and lack of consistent quality control (QC) processes, the current genomes have many systematic errors that have evolved with the virus and amplicon schemes. These errors have significant impacts on the phylogeny, and therefore over the last few years, many thousands of hours of researchers time has been spent in "eyeballing" trees, looking for artefacts, and then patching the tree. Given the huge value of this dataset, we therefore set out to reprocess the complete set of public raw sequence data in a rigorous amplicon-aware manner, and build a cleaner phylogeny. Here we provide a global tree of 3,960,704 samples, built from a consistently assembled set of high quality consensus sequences from all available public data as of March 2023, viewable at https://viridian.taxonium.org. Each genome was constructed using a novel assembly tool called Viridian (https://github.com/iqbal-lab-org/viridian), developed specifically to process amplicon sequence data, eliminating artefactual errors and mask the genome at low quality positions. We provide simulation and empirical validation of the methodology, and quantify the improvement in the phylogeny. Phase 2 of our project will address the fact that the data in the public archives is heavily geographically biased towards the Global North. We therefore have contributed new raw data to ENA/SRA from many countries including Ghana, Thailand, Laos, Sri Lanka, India, Argentina and Singapore. We will incorporate these, along with all public raw data submitted between March 2023 and the current day, into an updated set of assemblies, and phylogeny. We hope the tree, consensus sequences and Viridian will be a valuable resource for researchers.

Female genital tract (FGT) inflammation is an important risk factor for HIV acquisition. Previous studies have identified the FGT microbiota as a major determinant of altered inflammatory cytokine profiles, however, the relative importance of microbial activities and functions is unknown. Liquid chromatography-tandem mass spectrometry was used to evaluate the FGT metaproteomic profiles of 113 young South African women. FGT inflammation was defined by inflammatory cytokine concentration profile. A total of 3,186 microbial and human proteins were identified and both were analyzed for the functional and the former also for taxonomic distributions. The functional annotations of bacterial proteins predicted genital inflammation more accurately than bacterial relative abundance determined by 16S rRNA analysis (p<0.0001). The majority of microbial biological pathways were underrepresented in women with inflammation, including a signature of reduced cell wall organization and peptidoglycan biosynthesis. This signature remained associated with FGT inflammatory profiles after adjusting for Lactobacillus relative abundance and potential confounders. These biological pathways were also associated with inflammatory cytokine responses to Lactobacillus isolates from the same women in a vaginal epithelial cell model. Comparison of metaproteomics taxonomic assignment with 16S rRNA gene survey analysis revealed differences in bacterial relative abundance between the methods, however both approaches showed increased non-optimal bacteria and decreased lactobacilli in women with FGT inflammation. These findings suggest that microbial function is a critical determinant of FGT inflammation, and that specific microbial properties may be harnessed for biotherapeutic development.

Abstract Streptococcus pneumoniae is a common cause of acute bacterial infections in Malawi. Understanding the molecular mechanisms underlying its invasive behavior is crucial for designing new therapeutic strategies. We conducted a pan-genome analysis to identify potential virulence genes in S. pneumoniae by comparing the gene pool of isolates from carriers’ nasopharyngeal secretions to isolates from the blood and cerebrospinal fluid of patients. Our analysis involved 1,477 pneumococcal isolates from Malawi, comprising 825 samples from carriers (nasopharyngeal swab) and 652 from patients (368 from blood and 284 from cerebrospinal fluid). We identified 56 serotypes in the cohort. While most serotypes exhibited a similar prevalence in both carriage and disease groups, serotypes 1 and 5, the most abundant serotypes in the entire cohort, were significantly more commonly detected in specimens from patients compared to the carriage group. This difference is presumably due to their shorter nasopharyngeal colonization period. Furthermore, these serotypes displayed genetic distinctiveness from other serotypes. A magnificent genetic difference was observed in the absence of genes from the RD8a genomic island in serotypes 1 and 5 compared to significantly prevalent serotypes in the nasopharynx. RD8a genes play pivotal roles in binding to epithelial cells and performing aerobic respiration to synthesize ATP through oxidative phosphorylation. The absence of RD8a from serotypes 1 and 5 may be associated with a shorter duration in the nasopharynx, theoretically due to a reduced capacity to bind to epithelial cells and access free oxygen molecules required for aerobic respiration (essential to maintain the carriage state). Serotypes 1 and 5, significantly harbor operons that encode phosphoenolpyruvate phosphotransferase systems, which might relate to transporting carbohydrates, relying on phosphoenolpyruvate as the energy source instead of ATP. In conclusion, serotypes 1 and 5 as the most prevalent invasive pneumococcal strains in Malawi, displayed considerable genetic divergence from other strains, which may offer insights into their invasiveness and potential avenues for further research. Author summary Despite introducing the pneumococcal conjugate vaccine in 2011, Streptococcus pneumoniae remains a major cause of bacterial infection in Malawi. Whilst some pneumococcal strains harmlessly colonize the nasopharynx, others find their way into normally sterile sites, such as lungs, blood, and nervous system, resulting in serious illness. Our study identified specific pneumococcal serotypes as the most invasive in Malawi, characterized by a short colonization period and significant genetic distinctiveness from other strains. This genetic divergence notably included the absence of several genes associated with aerobic respiration and the presence of genes facilitating ATP-independent carbohydrate transport. The presence or absence of these genes may underlie their heightened invasiveness and shorter colonization period. This hypothesis positions these genes as potential candidates for future therapeutic research. We propose that the specific gene gain and/or loss in invasive versus other serotypes may be linked to the development of invasive pneumococcal diseases. Impact Statement Our research applied pan-genomics principles to comprehensively assess diversity within the pneumococcus genome, with the primary objective of identifying pneumococcal virulence genes for advancing vaccine design and drug development. Within this study, we identified Serotypes 1 and 5 as the predominant and highly invasive pneumococcal strains in Malawi, characterized by a short nasopharyngeal colonization period, suggesting their potential for rapid infection of sterile sites within the human body such as blood and the central nervous system. These serotypes exhibited significant genetic divergence from other serotypes in Malawi, notably lacking key genes within the RD8a operon while harboring transporters functioning independently of ATP. It’s important to note that these findings are based on computational analysis, and further validation through laboratory experiments is essential to confirm their biological significance and potential clinical applications. The implications of our research offer potential avenues for more effective pneumococcal disease prevention and treatment, not only in Malawi but also in regions facing similar challenges.