The authors report two new engineered AAV capsids that efficiently deliver genes throughout the adult central and peripheral nervous systems after intravenous administration. Complementing these capsids is an AAV toolbox that enables cell morphology and genetic manipulation studies of defined neural cell types in transgenic or wild-type animals. Adeno-associated viruses (AAVs) are commonly used for in vivo gene transfer. Nevertheless, AAVs that provide efficient transduction across specific organs or cell populations are needed. Here, we describe AAV-PHP.eB and AAV-PHP.S, capsids that efficiently transduce the central and peripheral nervous systems, respectively. In the adult mouse, intravenous administration of 1 × 1011 vector genomes (vg) of AAV-PHP.eB transduced 69% of cortical and 55% of striatal neurons, while 1 × 1012 vg of AAV-PHP.S transduced 82% of dorsal root ganglion neurons, as well as cardiac and enteric neurons. The efficiency of these vectors facilitates robust cotransduction and stochastic, multicolor labeling for individual cell morphology studies. To support such efforts, we provide methods for labeling a tunable fraction of cells without compromising color diversity. Furthermore, when used with cell-type-specific promoters and enhancers, these AAVs enable efficient and targetable genetic modification of cells throughout the nervous system of transgenic and non-transgenic animals.

Understanding the structure-function relationships at cellular, circuit, and organ-wide scale requires 3D anatomical and phenotypical maps, currently unavailable for many organs across species. At the root of this knowledge gap is the absence of a method that enables whole-organ imaging. Herein, we present techniques for tissue clearing in which whole organs and bodies are rendered macromolecule-permeable and optically transparent, thereby exposing their cellular structure with intact connectivity. We describe PACT (passive clarity technique), a protocol for passive tissue clearing and immunostaining of intact organs; RIMS (refractive index matching solution), a mounting media for imaging thick tissue; and PARS (perfusion-assisted agent release in situ), a method for whole-body clearing and immunolabeling. We show that in rodents PACT, RIMS, and PARS are compatible with endogenous-fluorescence, immunohistochemistry, RNA single-molecule FISH, long-term storage, and microscopy with cellular and subcellular resolution. These methods are applicable for high-resolution, high-content mapping and phenotyping of normal and pathological elements within intact organs and bodies.

AAV vectors that efficiently transduce the mouse brain after intravenous injection are generated with a CRE-dependent selection system. Recombinant adeno-associated viruses (rAAVs) are commonly used vehicles for in vivo gene transfer1,2,3,4,5,6. However, the tropism repertoire of naturally occurring AAVs is limited, prompting a search for novel AAV capsids with desired characteristics7,8,9,10,11,12,13. Here we describe a capsid selection method, called Cre recombination–based AAV targeted evolution (CREATE), that enables the development of AAV capsids that more efficiently transduce defined Cre-expressing cell populations in vivo. We use CREATE to generate AAV variants that efficiently and widely transduce the adult mouse central nervous system (CNS) after intravenous injection. One variant, AAV-PHP.B, transfers genes throughout the CNS with an efficiency that is at least 40-fold greater than that of the current standard, AAV9 (refs. 14,15,16,17), and transduces the majority of astrocytes and neurons across multiple CNS regions. In vitro, it transduces human neurons and astrocytes more efficiently than does AAV9, demonstrating the potential of CREATE to produce customized AAV vectors for biomedical applications.

The successful planning and execution of adaptive behaviors in mammals may require long-range coordination of neural networks throughout cerebral cortex. The neuronal implementation of signals that could orchestrate cortex-wide activity remains unclear. Here, we develop and apply methods for cortex-wide Ca2+ imaging in mice performing decision-making behavior and identify a global cortical representation of task engagement encoded in the activity dynamics of both single cells and superficial neuropil distributed across the majority of dorsal cortex. The activity of multiple molecularly defined cell types was found to reflect this representation with type-specific dynamics. Focal optogenetic inhibition tiled across cortex revealed a crucial role for frontal cortex in triggering this cortex-wide phenomenon; local inhibition of this region blocked both the cortex-wide response to task-initiating cues and the voluntary behavior. These findings reveal cell-type-specific processes in cortex for globally representing goal-directed behavior and identify a major cortical node that gates the global broadcast of task-related information.

In situ hybridization methods are used across the biological sciences to map mRNA expression within intact specimens. Multiplexed experiments, in which multiple target mRNAs are mapped in a single sample, are essential for studying regulatory interactions, but remain cumbersome in most model organisms. Programmable in situ amplifiers based on the mechanism of hybridization chain reaction (HCR) overcome this longstanding challenge by operating independently within a sample, enabling multiplexed experiments to be performed with an experimental timeline independent of the number of target mRNAs. To assist biologists working across a broad spectrum of organisms, we demonstrate multiplexed in situ HCR in diverse imaging settings: bacteria, whole-mount nematode larvae, whole-mount fruit fly embryos, whole-mount sea urchin embryos, whole-mount zebrafish larvae, whole-mount chicken embryos, whole-mount mouse embryos and formalin-fixed paraffin-embedded human tissue sections. In addition to straightforward multiplexing, in situ HCR enables deep sample penetration, high contrast and subcellular resolution, providing an incisive tool for the study of interlaced and overlapping expression patterns, with implications for research communities across the biological sciences.

Abstract In a side-by-side comparison of evolutionary dynamics between the 2019/2020 SARS-CoV-2 and the 2003 SARS-CoV, we were surprised to find that SARS-CoV-2 resembles SARS-CoV in the late phase of the 2003 epidemic after SARS-CoV had developed several advantageous adaptations for human transmission. Our observations suggest that by the time SARS-CoV-2 was first detected in late 2019, it was already pre-adapted to human transmission to an extent similar to late epidemic SARS-CoV. However, no precursors or branches of evolution stemming from a less human-adapted SARS-CoV-2-like virus have been detected. The sudden appearance of a highly infectious SARS-CoV-2 presents a major cause for concern that should motivate stronger international efforts to identify the source and prevent near future re-emergence. Any existing pools of SARS-CoV-2 progenitors would be particularly dangerous if similarly well adapted for human transmission. To look for clues regarding intermediate hosts, we analyze recent key findings relating to how SARS-CoV-2 could have evolved and adapted for human transmission, and examine the environmental samples from the Wuhan Huanan seafood market. Importantly, the market samples are genetically identical to human SARS-CoV-2 isolates and were therefore most likely from human sources. We conclude by describing and advocating for measured and effective approaches implemented in the 2002-2004 SARS outbreaks to identify lingering population(s) of progenitor virus.

COVID-19 CG is an open resource for tracking SARS-CoV-2 single-nucleotide variations (SNVs) and lineages while filtering by location, date, gene, and mutation of interest. COVID-19 CG provides significant time, labor, and cost-saving utility to diverse projects on SARS-CoV-2 transmission, evolution, emergence, immune interactions, diagnostics, therapeutics, vaccines, and intervention tracking. Here, we describe case studies in which users can interrogate (1) SNVs in the SARS-CoV-2 Spike receptor binding domain (RBD) across different geographic regions to inform the design and testing of therapeutics, (2) SNVs that may impact the sensitivity of commonly used diagnostic primers, and (3) the recent emergence of a dominant lineage harboring an S477N RBD mutation in Australia. To accelerate COVID-19 research and public health efforts, COVID-19 CG will be continually upgraded with new features for users to quickly and reliably pinpoint mutations as the virus evolves throughout the pandemic and in response to therapeutic and public health interventions.