Frequent loss-of-function mutations in KEAP1, a master regulator of the NRF2 antioxidant pathway, accelerate mutant KRAS driven lung carcinogenesis, but also impose a dependency of these tumors on glutaminolysis. Using a precision medicine–based approach, this work uncovers a metabolic vulnerability of KRAS–KEAP1-mutant lung cancers that can be therapeutically exploited using currently available glutaminase inhibitors and provides a scientific rationale for patient selection in clinical trials. Treating KRAS-mutant lung adenocarcinoma (LUAD) remains a major challenge in cancer treatment given the difficulties associated with directly inhibiting the KRAS oncoprotein1. One approach to addressing this challenge is to define mutations that frequently co-occur with those in KRAS, which themselves may lead to therapeutic vulnerabilities in tumors. Approximately 20% of KRAS-mutant LUAD tumors carry loss-of-function mutations in the KEAP1 gene encoding Kelch-like ECH-associated protein 1 (refs. 2, 3, 4), a negative regulator of nuclear factor erythroid 2-like 2 (NFE2L2; hereafter NRF2), which is the master transcriptional regulator of the endogenous antioxidant response5,6,7,8,9,10. The high frequency of mutations in KEAP1 suggests an important role for the oxidative stress response in lung tumorigenesis. Using a CRISPR–Cas9-based approach in a mouse model of KRAS-driven LUAD, we examined the effects of Keap1 loss in lung cancer progression. We show that loss of Keap1 hyperactivates NRF2 and promotes KRAS-driven LUAD in mice. Through a combination of CRISPR–Cas9-based genetic screening and metabolomic analyses, we show that Keap1- or Nrf2-mutant cancers are dependent on increased glutaminolysis, and this property can be therapeutically exploited through the pharmacological inhibition of glutaminase. Finally, we provide a rationale for stratification of human patients with lung cancer harboring KRAS/KEAP1- or KRAS/NRF2-mutant lung tumors as likely to respond to glutaminase inhibition.

The CRISPR/Cas system has been used in mice for genome editing to introduce genetic alterations found in human lung tumours, and these genome modifications resulted in mouse lung tumours showing different histopathologies depending on the genes altered; the CRISPR/Cas system offers improved and faster ways to create animal models of human diseases such as cancer. The bacterial CRISPR/Cas9 system allows rapid and precise genome editing of somatic cells and is proving a useful tool for the generation of mouse models of human disease. Two groups reporting in this issue of Nature have now used the technique to introduce genetic alterations found in human lung tumours into the lungs of mice. Danilo Maddalo et al. introduce the Eml4–Alk rearrangement into mouse lung and find that the resulting EML4–ALK fusion protein drives the development of lung tumours with histopathology similar to that seen in human lung cancers carrying this alteration. Moreover, they show that an inhibitor of the ALK kinase leads to tumour regression. Francisco Sànchez-Rivera et al. show that loss-of-function of several known tumour suppressor genes cooperates with other genetic alterations in promoting the development of lung cancer. Different combinations of genetic alterations cause lung tumours with distinct molecular and histopathological features. These studies demonstrate the power of the CRISPR/Cas9 system to probe the function of putative oncogenes and tumour suppressor genes in mouse models more rapidly than previous approaches. Cancer is a multistep process that involves mutations and other alterations in oncogenes and tumour suppressor genes1. Genome sequencing studies have identified a large collection of genetic alterations that occur in human cancers2,3,4. However, the determination of which mutations are causally related to tumorigenesis remains a major challenge. Here we describe a novel CRISPR/Cas9-based approach for rapid functional investigation of candidate genes in well-established autochthonous mouse models of cancer. Using a KrasG12D-driven lung cancer model5, we performed functional characterization of a panel of tumour suppressor genes with known loss-of-function alterations in human lung cancer. Cre-dependent somatic activation of oncogenic KrasG12D combined with CRISPR/Cas9-mediated genome editing of tumour suppressor genes resulted in lung adenocarcinomas with distinct histopathological and molecular features. This rapid somatic genome engineering approach enables functional characterization of putative cancer genes in the lung and other tissues using autochthonous mouse models. We anticipate that this approach can be used to systematically dissect the complex catalogue of mutations identified in cancer genome sequencing studies.

Phylogenetics of superspreading One important characteristic of coronavirus epidemiology is the occurrence of superspreading events. These are marked by a disproportionate number of cases originating from often-times asymptomatic individuals. Using a rich sequence dataset from the early stages of the Boston outbreak, Lemieux et al. identified superspreading events in specific settings and analyzed them phylogenetically (see the Perspective by Alizon). Using ancestral trait inference, the authors identified several importation events, further investigated the context and contribution of particular superspreading events to the establishment of local and wider SARS-CoV-2 transmission, and used viral phylogenies to describe sustained transmission. Science , this issue p. eabe3261 ; see also p. 574

T cell-mediated immunity may play a critical role in controlling and establishing protective immunity against SARS-CoV-2 infection; yet the repertoire of viral epitopes responsible for T cell response activation remains mostly unknown. Identification of viral peptides presented on class I human leukocyte antigen (HLA-I) can reveal epitopes for recognition by cytotoxic T cells and potential incorporation into vaccines. Here, we report the first HLA-I immunopeptidome of SARS-CoV-2 in two human cell lines at different times post-infection using mass spectrometry. We found HLA-I peptides derived not only from canonical ORFs, but also from internal out-of-frame ORFs in Spike and Nucleoprotein not captured by current vaccines. Proteomics analyses of infected cells revealed that SARS-CoV-2 may interfere with antigen processing and immune signaling pathways. Based on the endogenously processed and presented viral peptides that we identified, we estimate that a pool of 24 peptides would provide one or more peptides for presentation by at least one HLA allele in 99% of the human population. These biological insights and the list of naturally presented SARS-CoV-2 peptides will facilitate data-driven selection of peptides for immune monitoring and vaccine development.

Summary Ebola virus (EBOV) causes epidemics with high case fatality rates, yet remains understudied due to the challenge of experimentation in high-containment and outbreak settings. To better understand EBOV infection in vivo , we used single-cell transcriptomics and CyTOF-based single-cell protein quantification to characterize peripheral immune cell activity during EBOV infection in rhesus monkeys. We obtained 100,000 transcriptomes and 15,000,000 protein profiles, providing insight into pathogenesis. We find that immature, proliferative monocyte-lineage cells with reduced antigen presentation capacity replace conventional circulating monocyte subsets within days of infection, while lymphocytes upregulate apoptosis genes and decline in abundance. By quantifying viral RNA abundance in individual cells, we identify molecular determinants of tropism and examine temporal dynamics in viral and host gene expression. Within infected cells, we observe that EBOV down-regulates STAT1 mRNA and interferon signaling, and up-regulates putative pro-viral genes (e.g., DYNLL1 and HSPA5 ), nominating cellular pathways the virus manipulates for its replication. Overall, this study sheds light on EBOV tropism, replication dynamics, and elicited immune response, and provides a framework for characterizing interactions between hosts and emerging viruses in a maximum containment setting.

Abstract The rapid global spread and continued evolution of SARS-CoV-2 has highlighted an unprecedented need for viral genomic surveillance and clinical viral sequencing. Amplicon-based sequencing methods provide a sensitive, low-cost and rapid approach but suffer a high potential for contamination, which can undermine lab processes and results. This challenge will only increase with expanding global production of sequences by diverse research groups for epidemiological and clinical interpretation. We present an approach which uses synthetic DNA spike-ins (SDSIs) to track samples and detect inter-sample contamination through a sequencing workflow. Applying this approach to the ARTIC Consortium’s amplicon design, we define a series of best practices for Illumina-based sequencing and provide a detailed characterization of approaches to increase sensitivity for low-viral load samples incorporating the SDSIs. We demonstrate the utility and efficiency of the SDSI method amidst a real-time investigation of a suspected hospital cluster of SARS-CoV-2 cases.

ABSTRACT Targeted synthetic vaccines have the potential to transform our response to viral outbreaks; yet the design of these vaccines requires a comprehensive knowledge of viral immunogens, including T-cell epitopes. Having previously mapped the SARS-CoV-2 HLA-I landscape, here we report viral peptides that are naturally processed and loaded onto HLA-II complexes in infected cells. We identified over 500 unique viral peptides from canonical proteins, as well as from overlapping internal open reading frames (ORFs), revealing, for the first time, the contribution of internal ORFs to the HLA-II peptide repertoire. Most HLA-II peptides co-localized with the known CD4+ T cell epitopes in COVID-19 patients. We also observed that two reported immunodominant regions in the SARS-CoV-2 membrane protein are formed at the level of HLA-II presentation. Overall, our analyses show that HLA-I and HLA-II pathways target distinct viral proteins, with the structural proteins accounting for most of the HLA-II peptidome and non-structural and non-canonical proteins accounting for the majority of the HLA-I peptidome. These findings highlight the need for a vaccine design that incorporates multiple viral elements harboring CD4+ and CD8+ T cell epitopes to maximize the vaccine effectiveness.

Unveiling the complete proteome of viruses is crucial to our understanding of the viral life cycle and interaction with the host. We developed Massively Parallel Ribosome Profiling (MPRP) to experimentally determine open reading frames (ORFs) in 20,170 designed oligonucleotides across 679 human-associated viral genomes. We identified 5,381 ORFs, including 4,208 non-canonical ORFs, and show successful detection of both annotated coding sequences (CDSs) and reported non-canonical ORFs. By examining immunopeptidome datasets of infected cells, we found class I human leukocyte antigen (HLA-I) peptides originating from non-canonical ORFs identified through MPRP. By inspecting ribosome occupancies on the 5'UTR and CDS regions of annotated viral genes, we identified hundreds of upstream ORFs (uORFs) that negatively regulate the synthesis of canonical viral proteins. The unprecedented source of viral ORFs across a wide range of viral families, including highly pathogenic viruses, expands the repertoire of vaccine targets and exposes new cis-regulatory sequences in viral genomes.