Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus -2 (SARS-CoV-2) emerged in late 2019 and has spread worldwide resulting in the Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) pandemic. Although animal models have been evaluated for SARS-CoV-2 infection, none have recapitulated the severe lung disease phenotypes seen in hospitalized human cases. Here, we evaluate heterozygous transgenic mice expressing the human ACE2 receptor driven by the epithelial cell cytokeratin-18 gene promoter (K18-hACE2) as a model of SARS-CoV-2 infection. Intranasal inoculation of SARS-CoV-2 in K18-hACE2 mice results in high levels of viral infection in lung tissues with additional spread to other organs. Remarkably, a decline in pulmonary function, as measured by static and dynamic tests of respiratory capacity, occurs 4 days after peak viral titer and correlates with an inflammatory response marked by infiltration into the lung of monocytes, neutrophils, and activated T cells resulting in pneumonia. Cytokine profiling and RNA sequencing analysis of SARS-CoV-2-infected lung tissues show a massively upregulated innate immune response with prominent signatures of NF-kB-dependent, type I and II interferon signaling, and leukocyte activation pathways. Thus, the K18-hACE2 model of SARS-CoV-2 infection recapitulates many features of severe COVID-19 infection in humans and can be used to define the mechanistic basis of lung disease and test immune and antiviral-based countermeasures.

SUMMARY SARS-CoV-2 has caused the global COVID-19 pandemic. Although passively delivered neutralizing antibodies against SARS-CoV-2 show promise in clinical trials, their mechanism of action in vivo is incompletely understood. Here, we define correlates of protection of neutralizing human monoclonal antibodies (mAbs) in SARS-CoV-2-infected animals. Whereas Fc effector functions are dispensable when representative neutralizing mAbs are administered as prophylaxis, they are required for optimal protection as therapy. When given after infection, intact mAbs reduce SARS-CoV-2 burden and lung disease in mice and hamsters better than loss-of-function Fc variant mAbs. Fc engagement of neutralizing antibodies mitigates inflammation and improves respiratory mechanics, and transcriptional profiling suggests these phenotypes are associated with diminished innate immune signaling and preserved tissue repair. Immune cell depletions establish that neutralizing mAbs require monocytes for therapeutic efficacy. Thus, potently neutralizing mAbs require Fc effector functions for maximal therapeutic benefit during therapy to modulate protective immune responses and mitigate lung disease.

Abstract Over the last decade, the field of systems vaccinology has emerged, in which high throughput transcriptomics and other omics assays are used to probe changes of the innate and adaptive immune system in response to vaccination. RNA-Seq technology has matured in recent years and is now widely deployed for transcriptional analysis of clinical specimens. The goal of this study was to benchmark technical parameters of RNA-Seq in the context of a multi-site, double-blind randomized clinical trial using primary patient samples. We collected longitudinal peripheral blood mononuclear cell (PBMC) samples from 10 subjects after vaccination with a live attenuated Francisella tularensis vaccine and performed RNA-Seq at two different sites using aliquots from the same sample to generate two large-scale replicate datasets. We evaluated the impact of: (i) filtering lowly-expressed genes, (ii) using external RNA controls, (iii) fold change and false discovery rate (FDR) filtering, (iv) read length, and (v) sequencing depth on differential expressed genes (DEGs) concordance between replicate datasets. Using synthetic mRNA spike-ins, we developed a method for empirically establishing minimal read-count thresholds for maintaining fold change accuracy on a per-experiment basis. We defined a reference PBMC transcriptome by pooling sequence data, and established the impact of read depth and gene filtering on transcript representation. Lastly, we modeled statistical power to detect DE genes for a range of sample sizes, effect sizes, and coverage depths. The results from this study provide RNA sequencing benchmarks and guidelines for planning future similar vaccine studies.

abstract Enterotoxigenic E. coli (ETEC), produce heat-labile (LT) and/or heat-stable (ST) enterotoxins, and are a common cause of diarrhea in children of resource-poor regions. ETEC have also been linked repeatedly to poorly understood sequelae including enteropathy, malnutrition, and growth impairment. While the cellular actions of ETEC enterotoxins leading to diarrhea are well-established, their potential contribution to subsequent pathology is unclear. LT stimulates cellular cAMP production to activate protein kinase A (PKA) which phosphorylates cellular ion channels that drive export of salt and water into the intestinal lumen resulting in diarrhea. However, as PKA exhibits broad kinase activity and its activated catalytic subunits modulate transcription of many genes, we interrogated the transcriptional profiles of LT-treated small intestinal epithelia. These studies demonstrated toxin-induced changes in hundreds of genes including those required for biogenesis and function of the brush border, the major site absorption of nutrients, and suppression of a key transcription factors, HNF4 and SMAD4, critical to differentiation of intestinal epithelia. Accordingly, LT treatment of intestinal epithelial cells significantly disrupted the absorptive microvillus architecture and altered transport of essential nutrients. In addition, challenge of neonatal mice with LT-producing ETEC recapitulated the architectural derangement of the brush border while maternal vaccination with LT prevented brush border disruption in ETEC-challenged neonatal mice. Finally, mice repeatedly challenged with toxigenic ETEC exhibited impaired growth recapitulating the multiplicative impact of recurring ETEC infections in children. These findings highlight impacts of ETEC enterotoxins beyond acute diarrheal illness and may inform approaches to mitigate and prevent major sequelae including malnutrition that impact millions of young children.