ABSTRACT Influenza A virus (IAV) is a major pathogen of the human respiratory tract where the virus co-exists and interacts with bacterial populations comprising the respiratory microbiome. Synergies between IAV and respiratory bacterial pathogens promote enhanced inflammation and disease burden that exacerbate morbidity and mortality. We demonstrate that direct interactions between IAV and encapsulated bacteria commonly found in the respiratory tract promote environmental stability and infectivity of IAV. Antibiotic-mediated depletion of the respiratory bacterial flora abrogated IAV transmission in ferret models, indicating that these viral-bacterial interactions are operative for airborne transmission of IAV. Restoring IAV airborne transmission in antibiotic treated ferrets by co-infection with Streptococcus pneumoniae confirmed a role for specific members of the bacterial respiratory community in promoting IAV transmission. These results implicate a role for the bacterial respiratory flora in promoting airborne transmission of IAV.

Abstract Transmission of influenza A viruses (IAV) between hosts is subject to numerous physical and biological barriers that impose genetic bottlenecks, constraining viral diversity and adaptation. The presence of bottlenecks within individual hosts and their potential impacts on evolutionary pathways taken during infection and subsequent transmission are poorly understood. To address this knowledge gap, we created highly diverse IAV libraries bearing molecular barcodes on two independent gene segments, enabling high-resolution tracking and quantification of unique virus lineages within hosts. Here we show that IAV infection in lungs is characterized by multiple within-host bottlenecks that result in “islands” of infection in lung lobes, each with genetically distinct populations. We performed site-specific inoculation of barcoded IAV in the upper respiratory tract of ferrets and tracked viral diversity as infection spread to the trachea and lungs. We observed compartmentalized replication of discrete barcoded populations within the lobes of the lung. Bottlenecks stochastically sampled individual viruses from the upper respiratory tract or the trachea that became the dominant genotype in a particular lobe. These populations are shaped strongly by founder effects, with no evidence for positive selection. The segregated sites of replication highlight the jackpot-style events that contribute to within-host influenza virus evolution and may account for low rates of intrahost adaptation.

Abstract Obesity is a chronic health condition characterized by excess adiposity leading to a systemic increase in inflammation and dysregulation of metabolic hormones and immune cell populations. Obesity is well established as a risk factor for many noncommunicable diseases; however, its consequences for infectious disease are poorly understood. Influenza A virus (IAV) is a highly infectious pathogen responsible for seasonal and pandemic influenza. Host risk factors, including compromised immunity and pre-existing health conditions, can contribute to increased infection susceptibility and disease severity. During viral replication in a host, the negative sense single stranded RNA genome of IAV accumulates genetic diversity that may have important consequences for viral evolution and transmission. Here, we investigated the impact of host obesity on IAV genetic variation using a diet induced obesity ferret model. We infected obese and lean male ferrets with the A/Hong Kong/1073/1999 (H9N2) IAV strain. Using a co-caging study design, we investigated the maintenance, generation, and transmission of intrahost IAV genetic variation by sequencing viral genomic RNA obtained from nasal wash samples over multiple days of infection. We found evidence for an enhanced role of positive selection acting on de novo mutations in obese hosts that led to nonsynonymous changes that rose to high frequency. In addition, we identified numerous cases of recurrent low-frequency mutations throughout the genome that were specific to obese hosts. Despite these obese-specific variants, overall viral genetic diversity did not differ significantly between obese and lean hosts. This is likely due to the high supply rate of de novo variation and common evolutionary adaptations to the ferret host regardless of obesity status, which we show are mediated by variation in the hemagglutinin (HA) and polymerase genes (PB2 and PB1). As with single nucleotide variants, we identified a class of defective viral genomes (DVGs) that were found uniquely in either obese or lean hosts, but overall DVG diversity and dynamics did not differ between the two groups. Our study provides the first insight into the consequences of host obesity on viral genetic diversity and adaptation, suggesting that host factors associated with obesity alter the selective environment experienced by a viral population, thereby impacting the spectrum of genetic variation.

Integrins are essential surface receptors that sense extracellular changes to initiate various intracellular signaling cascades. The rapid activation of the epithelial-intrinsic β6 integrin during influenza A virus (IAV) infection has been linked to innate immune impairments. Yet, how β6 regulates epithelial immunity remains undefined. Here, we identify the role of β6 in mediating the Toll-like receptor 7 (TLR7) through the regulation of intracellular trafficking. We demonstrate that deletion of the β6 integrin in lung epithelial cells significantly enhances the TLR7-mediated activation of the type I interferon (IFN) response during homeostasis and respiratory infection. IAV-induced β6 facilitates TLR7 trafficking to lysosome-associated membrane protein (LAMP2a) components, leading to a reduction in endosomal compartments and associated TLR7 signaling. Our findings reveal an unappreciated role of β6-induced autophagy in influencing epithelial immune responses during influenza virus infection.

Abstract Human astrovirus is a positive sense, single stranded RNA virus. Astrovirus infection causes gastrointestinal symptoms and can lead to encephalitis in immunocompromised patients. Positive strand RNA viruses typically utilize host intracellular membranes to form replication organelles, which are potential antiviral targets. Many of these replication organelles are double membrane vesicles (DMVs). Here we show that astrovirus infection leads to an increase in DMV formation, and this process is replication-dependent. Our data suggest that astrovirus infection induces rearrangement of endoplasmic reticulum fragments, which may become the origin for DMV formation. Transcriptional data suggested that formation of DMVs during astrovirus infection requires some early components of the autophagy machinery. Results indicate that the upstream class III phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) complex, but not LC3 conjugation machinery, is utilized in DMV formation. Inhibition of the PI3K complex leads to significant reduction in viral replication and release from cells. Elucidating the role of autophagy machinery in DMV formation during astrovirus infection reveals a potential target for therapeutic intervention for immunocompromised patients. Importance These studies provide critical new evidence that astrovirus replication requires formation of double membrane vesicles, which utilize class III PI3K, but not LC3 conjugation autophagy machinery for biogenesis. These results are consistent with replication mechanisms for other positive sense RNA viruses. This suggests that targeting PI3K could be a promising therapeutic option for not only astrovirus, but other positive sense RNA virus infections.

The influenza viruses cause seasonal respiratory illness that affect millions of people globally every year. Prophylactic vaccines are the recommended method to prevent the breakout of influenza epidemics. One of the current commercial influenza vaccines consists of inactivated viruses that are selected months prior to the start of a new influenza season. In many seasons, the vaccine effectiveness (VE) of these vaccines can be relatively low. Therefore, there is an urgent need to develop an improved, more universal influenza vaccine (UIV) that can provide broad protection against various drifted strains in all age groups. To meet this need, the computationally optimized broadly reactive antigen (COBRA) methodology was developed to design a hemagglutinin (HA) molecule as a new influenza vaccine. In this study, COBRA HA-based inactivated influenza viruses (IIV) expressing the COBRA HA from H1 or H3 influenza viruses were developed and characterized for the elicitation of immediate and long-term protective immunity in both immunologically naïve or influenza pre-immune animal models. These results were compared to animals vaccinated with IIV vaccines expressing wild-type H1 or H3 HA proteins (WT-IIV). The COBRA-IIV elicited long-lasting broadly reactive antibodies that had hemagglutination-inhibition (HAI) activity against drifted influenza variants.

Abstract G3BP1/2 are paralogous proteins that promote stress granule formation in response to cellular stresses, including viral infection. G3BP1/2 are prominent interactors of the nucleocapsid (N) protein of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). However, the functional consequences of the G3BP1-N interaction in the context of viral infection remain unclear. Here we used structural and biochemical analyses to define the residues required for G3BP1-N interaction, followed by structure-guided mutagenesis of G3BP1 and N to selectively and reciprocally disrupt their interaction. We found that mutation of F17 within the N protein led to selective loss of interaction with G3BP1 and consequent failure of the N protein to disrupt stress granule assembly. Introduction of SARS-CoV-2 bearing an F17A mutation resulted in a significant decrease in viral replication and pathogenesis in vivo, indicating that the G3BP1-N interaction promotes infection by suppressing the ability of G3BP1 to form stress granules.

ABSTRACT Obesity is well established as a risk factor for many noncommunicable diseases; however, its consequences for infectious disease are poorly understood. Here, we investigated the impact of host obesity on influenza A virus (IAV) genetic variation using a diet-induced obesity ferret model and the A/Hong Kong/1073/1999 (H9N2) strain. Using a co-caging study design, we investigated the maintenance, generation, and transmission of intrahost IAV genetic variation by sequencing viral genomic RNA obtained from nasal wash samples over multiple days of infection. We found evidence for an enhanced role of positive selection acting on de novo mutations in obese hosts that led to nonsynonymous changes that rose to high frequency. In addition, we identified numerous cases of mutations throughout the genome that were specific to obese hosts and that were preserved during transmission between hosts. Despite detection of obese-specific variants, the overall viral genetic diversity did not differ significantly between obese and lean hosts. This is likely due to the high supply rate of de novo variation and common evolutionary adaptations to the ferret host regardless of obesity status, which we show are mediated by variation in the hemagglutinin and polymerase genes (PB2 and PB1). We also identified defective viral genomes (DVGs) that were found uniquely in either obese or lean hosts, but the overall DVG diversity and dynamics did not differ between the two groups. Our study suggests that obesity may result in a unique selective environment impacting intrahost IAV evolution, highlighting the need for additional genetic and functional studies to confirm these effects. IMPORTANCE Obesity is a chronic health condition characterized by excess adiposity leading to a systemic increase in inflammation and dysregulation of metabolic hormones and immune cell populations. Influenza A virus (IAV) is a highly infectious pathogen responsible for seasonal and pandemic influenza. Host risk factors, including compromised immunity and pre-existing health conditions, can contribute to increased infection susceptibility and disease severity. During viral replication in a host, the negative-sense single-stranded RNA genome of IAV accumulates genetic diversity that may have important consequences for viral evolution and transmission. Our study provides the first insight into the consequences of host obesity on viral genetic diversity and adaptation, suggesting that host factors associated with obesity alter the selective environment experienced by a viral population, thereby impacting the spectrum of genetic variation.

Obesity, and the associated metabolic syndrome, is a risk factor for increased disease severity with a variety of infectious agents, including influenza virus. Yet the mechanisms are only partially understood. As the number of people, particularly children, living with obesity continues to rise, it is critical to understand the role of host status on disease pathogenesis. In these studies, we use a novel diet-induced obese ferret model and new tools to demonstrate that like humans, obesity resulted in significant changes to the lung microenvironment leading to increased clinical disease and viral spread to the lower respiratory tract. The decreased antiviral responses also resulted in obese animals shedding higher infectious virus for longer making them more likely to transmit to contacts. These data suggest the obese ferret model may be crucial to understanding obesity's impact on influenza disease severity and community transmission, and a key tool for therapeutic and intervention development for this high-risk population.A new ferret model and tools to explore obesity's impact on respiratory virus infection, susceptibility, and community transmission.

Abstract Pregnant women and infants are considered high-risk groups for increased influenza disease severity. While influenza virus vaccines are recommended during pregnancy, infants cannot be vaccinated until at least six months of age. Passive transfer of maternal antibodies (matAbs) becomes vital for the infant’s protection. Here, we employed an ultrasound-based timed-pregnancy murine model and examined matAb responses to distinct influenza vaccine platforms and influenza A virus (IAV) infection in dams and their offspring. We demonstrate vaccinating dams with a live-attenuated influenza virus (LAIV) vaccine or recombinant hemagglutinin (rHA) proteins administered with adjuvant resulted in enhanced and long-lasting immunity and protection from influenza in offspring. In contrast, a trivalent split-inactivated vaccine (TIV) afforded limited protection in our model. By cross-fostering pups, we show the timing of antibody transfer from vaccinated dams to their offspring (prenatal versus postnatal) can shape the antibody profile depending on the vaccine platform. Our studies provide information on how distinct influenza vaccines lead to immunogenicity and efficacy during pregnancy, impact the protection of their offspring, and detail roles for IgG1 and IgG2c in the development of vaccine administration during pregnancy that stimulate and measure expression of both antibody subclasses.