Only four mutations in H5N1 HA are required to enable ferret-to-ferret transmission of a reassortant virus containing the H5 HA and the remaining seven gene segments from a human pandemic H1N1 influenza virus. Whether avian H5N1 viruses can gain the ability to transmit between humans was uncertain. The viral haemagglutinin protein (HA) mediates virus binding to host-specific cellular receptors, but previous studies have shown that alterations in HA that enable binding to human-type receptors are not sufficient to enable respiratory droplet transmission of H5N1 viruses in ferrets, the best animal model for human-to-human transmission. Imai et al. show that only four mutations in H5N1 HA are required to enable ferret-to-ferret transmission of a reassortant virus containing H5 HA, with the remaining genes from human pandemic H1N1 influenza virus. It is probable that further adaptations in other avian virus genes would be required to mediate transmission of wholly avian H5N1 in mammals, but human H1N1 and H5N1 viruses are genetically compatible and the emergence of H5-HA-containing viruses might be expected to cause a pandemic because humans lack immunity to H5 viruses. Knowledge of the mutations involved in adapting H5 HA to mammalian transmission could help with surveillance and monitoring of H5N1 viruses adapting towards pandemic potential. Highly pathogenic avian H5N1 influenza A viruses occasionally infect humans, but currently do not transmit efficiently among humans. The viral haemagglutinin (HA) protein is a known host-range determinant as it mediates virus binding to host-specific cellular receptors1,2,3. Here we assess the molecular changes in HA that would allow a virus possessing subtype H5 HA to be transmissible among mammals. We identified a reassortant H5 HA/H1N1 virus—comprising H5 HA (from an H5N1 virus) with four mutations and the remaining seven gene segments from a 2009 pandemic H1N1 virus—that was capable of droplet transmission in a ferret model. The transmissible H5 reassortant virus preferentially recognized human-type receptors, replicated efficiently in ferrets, caused lung lesions and weight loss, but was not highly pathogenic and did not cause mortality. These results indicate that H5 HA can convert to an HA that supports efficient viral transmission in mammals; however, we do not know whether the four mutations in the H5 HA identified here would render a wholly avian H5N1 virus transmissible. The genetic origin of the remaining seven viral gene segments may also critically contribute to transmissibility in mammals. Nevertheless, as H5N1 viruses continue to evolve and infect humans, receptor-binding variants of H5N1 viruses with pandemic potential, including avian–human reassortant viruses as tested here, may emerge. Our findings emphasize the need to prepare for potential pandemics caused by influenza viruses possessing H5 HA, and will help individuals conducting surveillance in regions with circulating H5N1 viruses to recognize key residues that predict the pandemic potential of isolates, which will inform the development, production and distribution of effective countermeasures.

In 1997, an H5N1 influenza A virus was transmitted from birds to humans in Hong Kong, killing 6 of the 18 people infected. When mice were infected with the human isolates, two virulence groups became apparent. Using reverse genetics, we showed that a mutation at position 627 in the PB2 protein influenced the outcome of infection in mice. Moreover, high cleavability of the hemagglutinin glycoprotein was an essential requirement for lethal infection.

Analysis of a series of clinical isolates of the swine-origin H1N1 influenza virus reveals that in mammalian models (mice, ferrets and macaques) the current pandemic virus is associated with more severe disease than a seasonal H1N1 strain. The viruses can also infect pigs but do not cause clinical signs. All antivirus drugs tested, including Tamiflu, were effective in cell culture against the new virus, lending support to the use of these compounds as a first line of defence against the pandemic. On 11 June 2009 the World Health Organization declared that the infections caused by a new strain of influenza A virus closely related to swine viruses had reached pandemic levels. Here, one of the first US isolates of the new swine-origin H1N1 influenza virus (S-OIV) is characterized, as well as several other S-OIV isolates, both in vitro and in vivo. Influenza A viruses cause recurrent outbreaks at local or global scale with potentially severe consequences for human health and the global economy. Recently, a new strain of influenza A virus was detected that causes disease in and transmits among humans, probably owing to little or no pre-existing immunity to the new strain. On 11 June 2009 the World Health Organization declared that the infections caused by the new strain had reached pandemic proportion. Characterized as an influenza A virus of the H1N1 subtype, the genomic segments of the new strain were most closely related to swine viruses1. Most human infections with swine-origin H1N1 influenza viruses (S-OIVs) seem to be mild; however, a substantial number of hospitalized individuals do not have underlying health issues, attesting to the pathogenic potential of S-OIVs. To achieve a better assessment of the risk posed by the new virus, we characterized one of the first US S-OIV isolates, A/California/04/09 (H1N1; hereafter referred to as CA04), as well as several other S-OIV isolates, in vitro and in vivo. In mice and ferrets, CA04 and other S-OIV isolates tested replicate more efficiently than a currently circulating human H1N1 virus. In addition, CA04 replicates efficiently in non-human primates, causes more severe pathological lesions in the lungs of infected mice, ferrets and non-human primates than a currently circulating human H1N1 virus, and transmits among ferrets. In specific-pathogen-free miniature pigs, CA04 replicates without clinical symptoms. The assessment of human sera from different age groups suggests that infection with human H1N1 viruses antigenically closely related to viruses circulating in 1918 confers neutralizing antibody activity to CA04. Finally, we show that CA04 is sensitive to approved and experimental antiviral drugs, suggesting that these compounds could function as a first line of defence against the recently declared S-OIV pandemic.

Significance Since SARS-CoV-2 emerged in China, it has spread rapidly around the world. Effective vaccines and therapeutics for SARS-CoV-2−induced disease (coronavirus disease 2019;COVID-19) are urgently needed. We found that SARS-CoV-2 isolates replicate efficiently in the lungs of Syrian hamsters and cause severe pathological lesions in the lungs of these animals similar to commonly reported imaging features of COVID-19 patients with pneumonia. SARS-CoV-2−infected hamsters mounted neutralizing antibody responses and were protected against rechallenge with SARS-CoV-2. Moreover, passive transfer of convalescent serum to naïve hamsters inhibited virus replication in their lungs. Syrian hamsters are a useful small animal model for the evaluation of vaccines, immunotherapies, and antiviral drugs.

The 1918 influenza pandemic was unusually severe, resulting in about 50 million deaths worldwide. The 1918 virus is also highly pathogenic in mice, and studies have identified a multigenic origin of this virulent phenotype in mice. However, these initial characterizations of the 1918 virus did not address the question of its pathogenic potential in primates. Here we demonstrate that the 1918 virus caused a highly pathogenic respiratory infection in a cynomolgus macaque model that culminated in acute respiratory distress and a fatal outcome. Furthermore, infected animals mounted an immune response, characterized by dysregulation of the antiviral response, that was insufficient for protection, indicating that atypical host innate immune responses may contribute to lethality. The ability of influenza viruses to modulate host immune responses, such as that demonstrated for the avian H5N1 influenza viruses, may be a feature shared by the virulent influenza viruses.

Pandemic influenza A viruses that emerge from animal reservoirs are inevitable. Therefore, rapid genomic analysis and creation of vaccines are vital. We developed a multisegment reverse transcription-PCR (M-RTPCR) approach that simultaneously amplifies eight genomic RNA segments, irrespective of virus subtype. M-RTPCR amplicons can be used for high-throughput sequencing and/or cloned into modified reverse-genetics plasmids via regions of sequence identity. We used these procedures to rescue a contemporary H3N2 virus and a swine origin H1N1 virus directly from human swab specimens. Together, M-RTPCR and the modified reverse-genetics plasmids that we designed streamline the creation of vaccine seed stocks (9 to 12 days).

The ‘Spanish’ influenza pandemic of 1918–19 was the most devastating outbreak of infectious disease in recorded history. At least 20 million people1 died from their illness, which was characterized by an unusually severe and rapid clinical course. The complete sequencing of several genes of the 1918 influenza virus has made it possible to study the functions of the proteins encoded by these genes in viruses generated by reverse genetics, a technique that permits the generation of infectious viruses entirely from cloned complementary DNA. Thus, to identify properties of the 1918 pandemic influenza A strain that might be related to its extraordinary virulence, viruses were produced containing the viral haemagglutinin2 (HA) and neuraminidase3 (NA) genes of the 1918 strain. The HA of this strain supports the pathogenicity of a mouse-adapted virus in this animal4,5. Here we demonstrate that the HA of the 1918 virus confers enhanced pathogenicity in mice to recent human viruses that are otherwise non-pathogenic in this host. Moreover, these highly virulent recombinant viruses expressing the 1918 viral HA could infect the entire lung and induce high levels of macrophage-derived chemokines and cytokines, which resulted in infiltration of inflammatory cells and severe haemorrhage, hallmarks of the illness produced during the original pandemic6.

Here, biological attributes of two early human isolates of the newly emerged H7N9 influenza viruses are characterized: the potential of these viruses to infect and/or transmit within various animal models is discussed, as is their relative sensitivity to neuraminidase inhibitors and experimental polymerase inhibitors compared to an H1N1 pandemic strain. By 20 July 2013, there had been 134 laboratory-confirmed human cases of infection with avian influenza A H7N9 virus infection, including 43 deaths. Yoshihiro Kawaoka and colleagues characterize the biology of two recent isolates of the virus. They provide a wealth of data from infections in mice, pigs, macaques and ferrets. H7N9 virus is shown to be less sensitive to neuraminidase inhibitors than pandemic H1N1 virus, but equally susceptible to an experimental polymerase inhibitor. Terrence Tumpey and colleagues determine the capacity of two clinical H7N9 isolates to cause disease and transmit between mammals. They show that the virus can replicate in human airway cells and in the respiratory tract of ferrets to a higher level than can seasonal H3N2 virus, and show higher lethality in mice than genetically related H7N9 and H9N2 viruses. In transmission studies, the H7N9 virus showed limited transmission in ferrets by respiratory droplets. Ron Fouchier and colleagues investigate the transmissibility of H7N9 virus between ferrets. They show that airborne transmission can occur, but inefficiently. They also show that on passage in ferrets, virus variants that have higher avian receptor binding, higher pH of fusion and lower thermostability are selected, and they suggest that these characteristics may result in reduced transmissibility. Avian influenza A viruses rarely infect humans; however, when human infection and subsequent human-to-human transmission occurs, worldwide outbreaks (pandemics) can result. The recent sporadic infections of humans in China with a previously unrecognized avian influenza A virus of the H7N9 subtype (A(H7N9)) have caused concern owing to the appreciable case fatality rate associated with these infections (more than 25%), potential instances of human-to-human transmission1, and the lack of pre-existing immunity among humans to viruses of this subtype. Here we characterize two early human A(H7N9) isolates, A/Anhui/1/2013 (H7N9) and A/Shanghai/1/2013 (H7N9); hereafter referred to as Anhui/1 and Shanghai/1, respectively. In mice, Anhui/1 and Shanghai/1 were more pathogenic than a control avian H7N9 virus (A/duck/Gunma/466/2011 (H7N9); Dk/GM466) and a representative pandemic 2009 H1N1 virus (A/California/4/2009 (H1N1pdm09); CA04). Anhui/1, Shanghai/1 and Dk/GM466 replicated well in the nasal turbinates of ferrets. In nonhuman primates, Anhui/1 and Dk/GM466 replicated efficiently in the upper and lower respiratory tracts, whereas the replicative ability of conventional human influenza viruses is typically restricted to the upper respiratory tract of infected primates. By contrast, Anhui/1 did not replicate well in miniature pigs after intranasal inoculation. Critically, Anhui/1 transmitted through respiratory droplets in one of three pairs of ferrets. Glycan arrays showed that Anhui/1, Shanghai/1 and A/Hangzhou/1/2013 (H7N9) (a third human A(H7N9) virus tested in this assay) bind to human virus-type receptors, a property that may be critical for virus transmissibility in ferrets. Anhui/1 was found to be less sensitive in mice to neuraminidase inhibitors than a pandemic H1N1 2009 virus, although both viruses were equally susceptible to an experimental antiviral polymerase inhibitor. The robust replicative ability in mice, ferrets and nonhuman primates and the limited transmissibility in ferrets of Anhui/1 suggest that A(H7N9) viruses have pandemic potential.

A single amino acid substitution, from glutamic acid to lysine at position 627 of the PB2 protein, converts a nonlethal H5N1 influenza A virus isolated from a human to a lethal virus in mice. In contrast to the nonlethal virus, which replicates only in respiratory organs, the lethal isolate replicates in a variety of organs, producing systemic infection. Despite a clear difference in virulence and organ tropism between the two viruses, it remains unknown whether the dissimilarity is a result of differences in cell tropism or the reduced replicative ability of the nonlethal virus in mouse cells in general. To determine how this single amino acid change affects virulence and organ tropism in mice, we investigated the growth kinetics of the two H5N1 viruses both in vitro and in vivo. The identity of the PB2 amino acid at position 627 did not appreciably affect viral replicative efficiency in chicken embryo fibroblasts and a quail cell line; however, viruses with lysine at this position instead of glutamic acid grew better in the different mouse cells tested. When the effect of this substitution was investigated in mice, all of the test viruses showed the same cell tropism, but infection by viruses containing lysine at position 627 spread more rapidly than those viruses containing glutamic acid at this position. Further analysis showed a difference in local immune responses: neutrophil infiltration in lungs infected with viruses containing lysine at position 627 persisted longer than that associated with viruses lacking a glutamic acid substitution. Our data indicate that the amino acid at position 627 of the PB2 protein determines the efficiency of viral replication in mouse (not avian) cells, but not tropism among cells in different mouse organs. The presence of lysine leads to more aggressive viral replication, overwhelming the host's defense mechanisms and resulting in high mortality rates in mice.

Introductory The evolution of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has resulted in the emergence of many new variant lineages that have exacerbated the COVID-19 pandemic. Some of those variants were designated as variants of concern/interest (VOC/VOI) by national or international authorities based on many factors including their potential impact on vaccines. To ascertain and rank the risk of VOCs and VOIs, we analyzed their ability to escape from vaccine-induced antibodies. The variants showed differential reductions in neutralization and replication titers by post-vaccination sera. Although the Omicron variant showed the most escape from neutralization, sera collected after a third dose of vaccine (booster sera) retained moderate neutralizing activity against that variant. Therefore, vaccination remains the most effective strategy to combat the COVID-19 pandemic.