Abstract Genomic material in wastewater provides a rich source of data for detection and surveillance of microbes. Used for decades to monitor poliovirus and other pathogens, the SARS-CoV-2 pandemic and the falling costs of high-throughput sequencing have substantially boosted the interest in and the usage of wastewater monitoring. We have longitudinally collected over 100 samples from a wastewater treatment plant in Berlin/Germany, from March 2021 to July 2022, in order to investigate three aspects. First, we conducted a full metagenomic analysis and exemplified the depth of the data by temporal tracking strains and to a certain extent also variants of human astroviruses and enteroviruses. Second, targeting respiratory pathogens, a broad enrichment panel enabled us to detect waves of RSV, influenza, or common cold coronaviruses in high agreement with clinical data. Third, by applying a profile Hidden Markov Model-based search for novel viruses, we identified more than 100 thousand novel transcript assemblies likely not belonging to known virus species, thus substantially expanding our knowledge of virus diversity. Taken together, we present a longitudinal and deep investigation of the viral genomic information in wastewater that underlines the value of sewage surveillance for both public health purposes and planetary virome research.

Abstract The Roborovski dwarf hamster Phodopus roborovskii belongs to the Phodopus genus, one of seven within Cricetinae subfamily. Like other rodents such as mice, rats or ferrets, hamsters can be important animal models for a range of diseases. Whereas the Syrian hamster from the genus Mesocricetus is now widely used as a model for mild to moderate COVID-19, Roborovski dwarf hamster show a severe to lethal course of disease upon infection with the novel human coronavirus SARS-CoV-2.

Abstract Key issues for research of COVID-19 pathogenesis are the lack of biopsies from patients and of samples at the onset of infection. To overcome these hurdles, hamsters were shown to be useful models for studying this disease. Here, we further leveraged the model to molecularly survey the disease progression from time-resolved single-cell RNA-sequencing data collected from healthy and SARS-CoV-2-infected Syrian and Roborovski hamster lungs. We compared our data to human COVID-19 studies, including BALF, nasal swab, and post-mortem lung tissue, and identified a shared axis of inflammation dominated by macrophages, neutrophils, and endothelial cells, which we show to be transient in Syrian and terminal in Roborovski hamsters. Our data suggest that, following SARS-CoV-2 infection, commitment to a type 1 or type 3-biased immunity determines moderate versus severe COVID-19 outcomes, respectively. One-Sentence Summary Activation of different immunological programs upon SARS-CoV-2 infection determines COVID-19 severity.

The helicase UPF1 acts as the central essential factor in human nonsense-mediated mRNA decay (NMD) and is involved in various other mRNA degradation processes. Given its multifunctionality, distinguishing between mRNAs regulated directly and indirectly by UPF1 remains a critical challenge. We engineered two different conditional degron tags into endogenous UPF1 in human cell lines to probe the consequences of UPF1 rapid depletion. UPF1 degradation inhibits NMD within hours and strongly stabilizes endogenous NMD substrates, which can be classified into different groups based on their expression kinetics. Extended UPF1 depletion results in massive transcript and isoform alterations, partially driven by secondary effects. We define a high-confidence UPF1-regulated core set of transcripts, which consists mostly of NMD substrates. NMD-regulated genes are involved in brain development and the integrated stress response, among other biological processes. In summary, UPF1 degron systems rapidly inhibit NMD, providing valuable insights into its roles across various experimental systems.

Humans and hamsters share a common inflammatory response to SARS-CoV-2 d Disease severity correlates with early innate effector cell-type response d Diffusion-based analyses dissect neutrophil and endothelial cell responses during infection d Differences in cell-type responses lead to either reversible or terminal endothelial damage

Translating findings from animal models to human disease is essential for dissecting disease mechanisms, developing and testing precise therapeutic strategies. The coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic has highlighted this need, particularly for models showing disease severity-dependent immune responses. Single-cell transcriptomics (scRNAseq) is well poised to reveal similarities and differences between species at the molecular and cellular level with unprecedented resolution. However, computational methods enabling detailed matching are still scarce. Here, we provide a structured scRNAseq-based approach that we applied to scRNAseq from blood leukocytes originating from humans and hamsters affected with moderate or severe COVID-19. Integration of COVID-19 patient data with two hamster models that develop moderate (Syrian hamster, Mesocricetus auratus) or severe (Roborovski hamster, Phodopus roborovskii) disease revealed that most cellular states are shared across species. A neural network-based analysis using variational autoencoders quantified the overall transcriptomic similarity across species and severity levels, showing highest similarity between neutrophils of Roborovski hamsters and severe COVID-19 patients, while Syrian hamsters better matched patients with moderate disease, particularly in classical monocytes. We further used transcriptome-wide differential expression analysis to identify which disease stages and cell types display strongest transcriptional changes. Consistently, hamster's response to COVID-19 was most similar to humans in monocytes and neutrophils. Disease-linked pathways found in all species specifically related to interferon response or inhibition of viral replication. Analysis of candidate genes and signatures supported the results. Our structured neural network-supported workflow could be applied to other diseases, allowing better identification of suitable animal models with similar pathomechanisms across species.

Background: Streptococcus pneumoniae (S.pn) is the most prevalent causal bacterial pathogen in community-acquired pneumonia. Despite appropriate antimicrobial therapy, pneumococcal pneumonia can progress to acute respiratory distress syndrome where actual therapies are mainly supportive, and the discovery of new molecular targets is needed. Objective: To investigate the role of IGF1R (Insulin-like Growth Factor 1 Receptor) in pneumococcal pneumonia. Methods: Igf1r -deficient ( UBC-CreERT2; Igf1r fl/fl ) and control ( Igf1r fl/fl ) mice were infected with 5x106 S.pn (PN36) or PBS (sham infected). Mice were sacrificed 48 h after infection. Pulmonary permeability, local inflammatory response, and pulmonary and extra-pulmonary bacterial loads were analyzed. Further, IGF1R protein expression was determined in human lung tissue after S.pn infection and IGF1 and IGF1R levels were determined serum of pneumonia patients. Results: In patients and mice infected with S.pn , IGF1 signaling was significantly altered. Igf1r -deficient mice had significantly increased pulmonary permeability after infection with increased pulmonary inflammatory cytokine levels, while inflammatory cell recruitment was not altered compared to infected Igf1r fl/fl control animals. Pulmonary bacterial load was significantly higher in Igf1r -deficient mice, and histological analysis confirmed increased alveolar edema and necrosis compared to infected Igf1r fl/fl control and sham-infected mice. Ex vivo, S.pn caused a decrease in IGF1R protein expression in human lung tissue. Conclusion: Our results demonstrate a significant regulation of IGF1R in ex-vivo infected human lung tissue and in serum of S.pn pneumonia patients. Moreover, pneumonia severity was increased in Igf1r -deficient mice upon S.pn infection compared to Igf1r fl/fl control mice, suggesting that IGF1R plays a protective role in pneumococcal pneumonia.

Abstract Current vaccines against COVID-19 elicit immune responses that are overall strong but wane rapidly. As a consequence, the necessary booster shots have led to vaccine fatigue. Hence, vaccines that would provide lasting protection against COVID-19 are needed, but are still unavailable. Cytomegaloviruses (CMV) elicit lasting and uniquely strong immune responses. Used as vaccine vectors, they may be attractive tools that obviate the need for boosters. Therefore, we tested the murine CMV (MCMV) as a vaccine vector against COVID-19 in relevant preclinical models of immunization and challenge. We have previously developed a recombinant murine CMV (MCMV) vaccine vector expressing the spike protein of the ancestral SARS-CoV-2 (MCMV S ). In this study, we show that the MCMV S elicits a robust and lasting protection in young and aged mice. Notably, S-specific humoral and cellular immunity was not only maintained but even increased over a period of at least 6 months. During that time, antibody avidity continuously increased and expanded in breadth, resulting in neutralization of genetically distant variants, like Omicron BA.1. A single dose of MCMV S conferred rapid virus clearance upon challenge. Moreover, MCMV S vaccination controlled two immune-evading variants of concern (VoCs), the Beta (B.1.135) and the Omicron (BA.1) variants. Thus, CMV vectors provide unique advantages over other vaccine technologies, eliciting broadly reactive and long-lasting immune responses against COVID-19. Authors Summary While widespread vaccination has substantially reduced risks of severe COVID presentations and morbidity, immune waning and continuous immune escape of novel SARS-CoV-2 variants have resulted in a need for numerous vaccine boosters and a continuous adaptation of vaccines to new SARS-CoV-2 variants. We show in proof of principle experiments with a recombinant murine cytomegalovirus expressing the SARS-CoV-2 spike protein (MCMVS) that one immunization with a CMV vaccine vector drives enduring protection in both young and aged mice, with long-term maturation of immune responses that broaden the antiviral effects over time. Hence, this approach resolves issues of immune waning and mitigates the effects of COVID-19 evolution and immune escape, reducing the need for additional immunizations and potentially improving vaccine compliance.

Abstract The emergence of new SARS-CoV-2 variants, capable of escaping the humoral immunity acquired by the available vaccines, together with waning immunity and vaccine hesitancy, challenges the efficacy of the vaccination strategy in fighting COVID-19. Improved therapeutic strategies are therefore urgently needed to better intervene particularly in severe cases of the disease. They should aim at controlling the hyper-inflammatory state generated upon infection, at reducing lung tissue pathology and endothelial damages, along with viral replication. Previous research has pointed a possible role for the chaperone HSP90 in SARS-CoV-2 replication and COVID-19 pathogenesis. Pharmacological intervention through HSP90 inhibitors was shown to be beneficial in the treatment of inflammatory diseases, infections and reducing replication of diverse viruses. In this study, we analyzed the effects of the potent HSP90 inhibitor Ganetespib in vitro on alveolar epithelial cells and alveolar macrophages to characterize its effects on cell activation and viral replication. Additionally, to evaluate its efficacy in controlling systemic inflammation and the viral burden after infection in vivo , a Syrian hamster model was used. In vitro , Ganetespib reduced viral replication on AECs in a dose-dependent manner and lowered significantly the expression of pro-inflammatory genes, in both AECs and alveolar macrophages. In vivo , administration of Ganetespib led to an overall improvement of the clinical condition of infected animals, with decreased systemic inflammation, reduced edema formation and lung tissue pathology. Altogether, we show that Ganetespib could be a potential medicine to treat moderate and severe cases of COVID-19.