The recently identified, globally predominant SARS-CoV-2 Omicron variant (BA.1) is highly transmissible, even in fully vaccinated individuals, and causes attenuated disease compared with other major viral variants recognized to date. The Omicron spike (S) protein, with an unusually large number of mutations, is considered the major driver of these phenotypes. We generated chimeric recombinant SARS-CoV-2 encoding the S gene of Omicron in the backbone of an ancestral SARS-CoV-2 isolate and compared this virus with the naturally circulating Omicron variant. The Omicron S-bearing virus robustly escapes vaccine-induced humoral immunity, mainly due to mutations in the receptor binding motif (RBM), yet unlike naturally occurring Omicron, efficiently replicates in cell lines and primary-like distal lung cells. In K18-hACE2 mice, while Omicron causes mild, non-fatal infection, the Omicron S-carrying virus inflicts severe disease with a mortality rate of 80%. This indicates that while the vaccine escape of Omicron is defined by mutations in S, major determinants of viral pathogenicity reside outside of S.

ABSTRACT Animal models recapitulating distinctive features of severe COVID-19 are critical to enhance our understanding of SARS-CoV-2 pathogenesis. Transgenic mice expressing human angiotensin-converting enzyme 2 (hACE2) under the cytokeratin 18 promoter (K18-hACE2) represent a lethal model of SARS-CoV-2 infection. The precise mechanisms of lethality in this mouse model remain unclear. Here, we evaluated the spatiotemporal dynamics of SARS-CoV-2 infection for up to 14 days post-infection. Despite infection and moderate pneumonia, rapid clinical decline or death of mice was invariably associated with viral neuroinvasion and direct neuronal injury (including brain and spinal neurons). Neuroinvasion was observed as early as 4 dpi, with virus initially restricted to the olfactory bulb supporting axonal transport via the olfactory neuroepithelium as the earliest portal of entry. No evidence of viremia was detected suggesting neuroinvasion occurs independently of entry across the blood brain barrier. SARS-CoV-2 tropism was not restricted to ACE2-expressing cells (e.g., AT1 pneumocytes), and some ACE2-positive lineages were not associated with the presence of viral antigen (e.g., bronchiolar epithelium and brain capillaries). Detectable ACE2 expression was not observed in neurons, supporting overexpression of ACE2 in the nasal passages and neuroepithelium as more likely determinants of neuroinvasion in the K18-hACE2 model. Although our work incites caution in the utility of the K18-hACE2 model to study global aspects of SARS-CoV-2 pathogenesis, it underscores this model as a unique platform for exploring the mechanisms of SARS-CoV-2 neuropathogenesis that may have clinical relevance acknowledging the growing body of evidence that suggests COVID-19 may result in long-standing neurologic consequences. IMPORTANCE COVID-19 is predominantly a respiratory disease caused by SARS-CoV-2 that has infected more than 191 million people with over 4 million fatalities (2021-07-20). The development of animal models recapitulating distinctive features of severe COVID-19 is critical to enhancing our understanding of SARS-CoV-2 pathogenesis and in the evaluation of vaccine and therapeutic efficacy. Transgenic mice expressing human angiotensin-converting enzyme 2 (hACE2) under the cytokeratin 18 promoter (K18-hACE2) represent a lethal model of SARS-CoV-2 infection. Here, we show lethality of this model is invariably associated with viral neuroinvasion linked with viral replication and assembly. Importantly, pneumonia albeit invariably present was generally moderate with the absence of culturable infectious virus at peak neuroinvasion. The dynamics of viral neuroinvasion and pneumonia were only partially dependent on hACE2. Overall, this study provides an in-depth sequential characterization of the K18-hACE2 model following SARS-CoV-2 infection, highlighting its significance to further study the mechanisms of SARS-CoV-2 neuropathogenesis.

SUMMARY The majority of SARS-CoV-2 infections among healthy individuals result in asymptomatic to mild disease. However, the immunological mechanisms defining effective lung tissue protection from SARS-CoV-2 infection remain elusive. Unlike mice solely engrafted with human fetal lung xenograft (fLX), mice co-engrafted with fLX and a myeloid-enhanced human immune system (HNFL mice) are protected against SARS-CoV-2 infection, severe inflammation, and histopathology. Effective control of viral infection in HNFL mice associated with significant macrophage infiltration, and the induction of a potent macrophage-mediated interferon response. The pronounced upregulation of the USP18-ISG15 axis (a negative regulator of IFN responses), by macrophages was unique to HNFL mice and represented a prominent correlate of reduced inflammation and histopathology. Altogether, our work shed light on unique cellular and molecular correlates of lung tissue protection during SARS-CoV-2 infection, and underscores macrophage IFN responses as prime targets for developing immunotherapies against coronavirus respiratory diseases. HIGHLIGHTS Mice engrafted with human fetal lung xenografts (fLX-mice) are highly susceptible to SARS-CoV-2. Co-engraftment with a human myeloid-enriched immune system protected fLX-mice against infection. Tissue protection was defined by a potent and well-balanced antiviral response mediated by infiltrating macrophages. Protective IFN response was dominated by the upregulation of the USP18-ISG15 axis.

ABSTRACT The recurring emergence of novel respiratory viruses has highlighted our poor understanding of the human immune mechanisms governing the resolution of lung infection in an immunologically naïve context. Using SARS-CoV-2 as a prototypical emerging respiratory virus, we leveraged mice co-engrafted with a genetically matched fetal lung xenograft (fLX) and a human immune system (BLT-L mice) to investigate such mechanisms. While BLT-L mice effectively resolve SARS-CoV-2 infection following acute viral replication in fLX, viral clearance is robustly abrogated through systemic depletion of CD4+, but not CD3+ or CD8+ cells, resulting in persistent infection. Leveraging single-cell transcriptomics to uncover the CD4-expressing subsets driving infection resolution, we identified a novel subset of lung extravascular inflammatory monocytes (ExiMO) with antiviral functions. ExiMO are the dominant CD163-expressing myeloid population emerging in fLX upon acute infection and derive from recruited circulating CD4+ monocytes. They are highly enriched in viral RNA and elicit a robust antiviral response before vanishing from tissues when infection resolves. Notably, systemic CD4+ cell depletion results in impaired recruitment of CD163+ cells into fLX and leads to a state of immune tolerance and chronic infection defined by the absence of ExiMO antiviral responses. Together, our study uncovers ExiMO as major sentinels driving SARS-CoV-2 infection resolution in human lung tissues without pre-existing immunity. This work expands our understanding of lung extravascular monocytes and unravels novel facets of the cellular determinants governing our vulnerability to viral respiratory pathogens. One sentence summary We identified a novel human subset of lung extravascular monocytes with antiviral functions that play a critical role in resolving SARS-CoV-2 infection from human lung tissues in an immunologically naïve context.

Abstract Modification of RNA with N 6 -methyladenosine (m 6 A) has gained attention in recent years as a general mechanism of gene regulation. In the liver, m 6 A, along with its associated machinery, has been studied as a potential biomarker of disease and cancer, with impacts on metabolism, cell cycle regulation, and pro-cancer state signaling. However these observational data have yet to be causally examined in vivo. For example, neither perturbation of the key m 6 A writers Mettl3 and Mettl14 , nor the m 6 A readers Ythdf1 and Ythdf2 have been thoroughly mechanistically characterized in vivo as they have been in vitro . To understand the functions of these machineries, we developed mouse models and found that deleting Mettl14 led to progressive liver injury characterized by nuclear heterotypia, with changes in mRNA splicing, processing and export leading to increases in mRNA surveillance and recycling.

Pulmonary TB that develops in immunocompetent adult humans is responsible for approximately 85% of the disease burden and is central for Mtb transmission. Most humans contain Mtb infection within primary granulomatous lesions, but in certain immunocompetent humans, containment fails, leading to hematogenous spread and active pulmonary disease with the formation of necrotic lesions and cavities that enable Mtb transmission via aerosols. To reveal lung-specific microenvironments conducive for Mtb survival and replication despite systemic immunity, we use fluorescence multiplex immunohistochemistry and spatial transcriptomic analyses of heterogenous TB lesions that uniquely form in the lungs of immunocompetent but TB-susceptible B6.Sst1S mice after hematogenous spread from the primary lesion. Initially, these secondary lung lesions manifested local adoptive immunity featuring tertiary lymphoid follicles similar to resistant B6 mice and contained primarily non-replicating bacilli. Following these early events, however, the B6.Sst1S mice uniquely demonstrate expansion of myeloid cell populations with the appearance of alternatively activated macrophages, dissolution of lymphoid follicles, and the accumulation of de-differentiated lung epithelial cells. These processes led to bronchogenic expansion, broncho-occlusion, and necrosuppurative pneumonia closely resembling advanced pulmonary tuberculosis in humans. To determine whether lung parenchymal cells or lung oxygenation were necessary for the pulmonary TB progression, we implanted lung and spleen fragments subcutaneously prior to the infection. The lung implants uniquely displayed the formation of the characteristic organized granulomas with necrosis and Mtb replication that paralleled TB progression in native lungs, demonstrating that the cellular composition of inflamed lung tissue, not oxygenation, is a critical determinant of pulmonary TB progression. Our data demonstrate that deleterious bi-directional interactions of aberrantly activated macrophages with the inflammation-injured lung resident cells determine lung vulnerability to virulent Mtb in immunocompetent hosts. Because these mechanisms enable Mtb transmission among humans via aerosols, they are likely evolutionary conserved and, therefore, represent appealing targets for host-directed TB therapies.