The 2009 pandemic H1N1 influenza pandemic demonstrated the global health threat of reassortant influenza strains. Herein, we report a detailed analysis of plasmablast and monoclonal antibody responses induced by pandemic H1N1 infection in humans. Unlike antibodies elicited by annual influenza vaccinations, most neutralizing antibodies induced by pandemic H1N1 infection were broadly cross-reactive against epitopes in the hemagglutinin (HA) stalk and head domain of multiple influenza strains. The antibodies were from cells that had undergone extensive affinity maturation. Based on these observations, we postulate that the plasmablasts producing these broadly neutralizing antibodies were predominantly derived from activated memory B cells specific for epitopes conserved in several influenza strains. Consequently, most neutralizing antibodies were broadly reactive against divergent H1N1 and H5N1 influenza strains. This suggests that a pan-influenza vaccine may be possible, given the right immunogen. Antibodies generated potently protected and rescued mice from lethal challenge with pandemic H1N1 or antigenically distinct influenza strains, making them excellent therapeutic candidates.

Rapid antigenic evolution in the influenza A virus hemagglutinin precludes effective vaccination with existing vaccines. To understand this phenomenon, we passaged virus in mice immunized with influenza vaccine. Neutralizing antibodies selected mutants with single-amino acid hemagglutinin substitutions that increased virus binding to cell surface glycan receptors. Passaging these high-avidity binding mutants in naïve mice, but not immune mice, selected for additional hemagglutinin substitutions that decreased cellular receptor binding avidity. Analyzing a panel of monoclonal antibody hemagglutinin escape mutants revealed a positive correlation between receptor binding avidity and escape from polyclonal antibodies. We propose that in response to variation in neutralizing antibody pressure between individuals, influenza A virus evolves by adjusting receptor binding avidity via amino acid substitutions throughout the hemagglutinin globular domain, many of which simultaneously alter antigenicity.

We have previously shown that broadly neutralizing antibodies reactive to the conserved stem region of the influenza virus hemagglutinin (HA) were generated in people infected with the 2009 pandemic H1N1 strain. Such antibodies are rarely seen in humans following infection or vaccination with seasonal influenza virus strains. However, the important question remained whether the inactivated 2009 pandemic H1N1 vaccine, like the infection, could also induce these broadly neutralizing antibodies. To address this question, we analyzed B-cell responses in 24 healthy adults immunized with the pandemic vaccine in 2009. In all cases, we found a rapid, predominantly IgG-producing vaccine-specific plasmablast response. Strikingly, the majority (25 of 28) of HA-specific monoclonal antibodies generated from the vaccine-specific plasmablasts neutralized more than one influenza strain and exhibited high levels of somatic hypermutation, suggesting they were derived from recall of B-cell memory. Indeed, memory B cells that recognized the 2009 pandemic H1N1 HA were detectable before vaccination not only in this cohort but also in samples obtained before the emergence of the pandemic strain. Three antibodies demonstrated extremely broad cross-reactivity and were found to bind the HA stem. Furthermore, one stem-reactive antibody recognized not only H1 and H5, but also H3 influenza viruses. This exceptional cross-reactivity indicates that antibodies capable of neutralizing most influenza subtypes might indeed be elicited by vaccination. The challenge now is to improve upon this result and design influenza vaccines that can elicit these broadly cross-reactive antibodies at sufficiently high levels to provide heterosubtypic protection.

For cells to function properly the process of translating RNA messengers into proteins needs to be accurate, on the whole. Yet work in HeLa cells now shows that about 1% of methionine residues used in protein synthesis are aminoacylated to 'textbook-incorrect' tRNAs. Surprisingly, the proportion of Met-misacylated tRNAs increases significantly when cells are under stress through viral infection or treatment with viral or bacterial Toll-like receptor ligands. Tests with other amino acids indicate that the phenomenon is limited to Met, and as Met residues are known to protect proteins against damage from reactive oxygen species, one possibility is that Met-misacylation is a natural protective response to cellular stress. Accurate transfer RNA (tRNA) aminoacylation is necessary for translational fidelity; however, the accuracy of tRNA aminoacylation in vivo is uncertain. In mammalian cells, approximately 1% of methionine residues used in protein synthesis are now shown to be aminoacylated to non-methionyl-tRNAs. Furthermore, misacylation of methionine increases up to tenfold upon exposing cells to viruses, toll-like receptor ligands or oxidative stress. Translational fidelity, essential for protein and cell function, requires accurate transfer RNA (tRNA) aminoacylation. Purified aminoacyl-tRNA synthetases exhibit a fidelity of one error per 10,000 to 100,000 couplings1,2. The accuracy of tRNA aminoacylation in vivo is uncertain, however, and might be considerably lower3,4,5,6. Here we show that in mammalian cells, approximately 1% of methionine (Met) residues used in protein synthesis are aminoacylated to non-methionyl-tRNAs. Remarkably, Met-misacylation increases up to tenfold upon exposing cells to live or non-infectious viruses, toll-like receptor ligands or chemically induced oxidative stress. Met is misacylated to specific non-methionyl-tRNA families, and these Met-misacylated tRNAs are used in translation. Met-misacylation is blocked by an inhibitor of cellular oxidases, implicating reactive oxygen species (ROS) as the misacylation trigger. Among six amino acids tested, tRNA misacylation occurs exclusively with Met. As Met residues are known to protect proteins against ROS-mediated damage7, we propose that Met-misacylation functions adaptively to increase Met incorporation into proteins to protect cells against oxidative stress. In demonstrating an unexpected conditional aspect of decoding mRNA, our findings illustrate the importance of considering alternative iterations of the genetic code.

Genetic variations across the SARS-CoV-2 genome may influence transmissibility of the virus and the host’s anti-viral immune response, in turn affecting the frequency of variants over-time. In this study, we examined the adjacent amino acid polymorphisms in the nucleocapsid (R203K/G204R) of SARS-CoV-2 that arose on the background of the spike D614G change and describe how strains harboring these changes became dominant circulating strains globally.Deep sequencing data of SARS-CoV-2 from public databases and from clinical samples were analyzed to identify and map genetic variants and sub-genomic RNA transcripts across the genome.Sequence analysis suggests that the three adjacent nucleotide changes that result in the K203/R204 variant have arisen by homologous recombination from the core sequence (CS) of the leader transcription-regulating sequence (TRS) rather than by stepwise mutation. The resulting sequence changes generate a novel sub-genomic RNA transcript for the C-terminal dimerization domain of nucleocapsid. Deep sequencing data from 981 clinical samples confirmed the presence of the novel TRS-CS-dimerization domain RNA in individuals with the K203/R204 variant. Quantification of sub-genomic RNA indicates that viruses with the K203/R204 variant may also have increased expression of sub-genomic RNA from other open reading frames.The finding that homologous recombination from the TRS may have occurred since the introduction of SARS-CoV-2 in humans resulting in both coding changes and novel sub-genomic RNA transcripts suggests this as a mechanism for diversification and adaptation within its new host.

Little is known about the relationships between symptomatic early-time SARS-CoV-2 viral load and upper airway mucosal gene expression and immune response. To examine the association of symptomatic SARS-CoV-2 early viral load with upper airway mucosal gene expression, we profiled the host mucosal transcriptome from nasopharyngeal swab samples from 68 adults with symptomatic, mild-to-moderate COVID-19. We measured SARS-CoV-2 viral load using qRT-PCR. We then examined the association of SARS-CoV-2 viral load with upper airway mucosal immune response. We detected SARS-CoV-2 in all samples and recovered >80% of the genome from 85% of the samples from symptomatic COVID-19 adults. The respiratory virome was dominated by SARS-CoV-2, with limited co-detection of common respiratory viruses i.e., only the human Rhinovirus (HRV) being identified in 6% of the samples. We observed a significant positive correlation between SARS-CoV-2 viral load and interferon signaling (OAS2, OAS3, IFIT1, UPS18, ISG15, ISG20, IFITM1, and OASL), chemokine signaling (CXCL10 and CXCL11), and adaptive immune system (IFITM1, CD300E, and SIGLEC1) genes in symptomatic, mild-to-moderate COVID-19 adults, when adjusted for age, sex and race. Interestingly, the expression levels of most of these genes plateaued at a CT value of ~25. Overall, our data shows that early nasal mucosal immune response to SARS-CoV-2 infection is viral load dependent, which potentially could modify COVID-19 outcomes.Several prior studies have shown that SARS-CoV-2 viral load can predict the likelihood of disease spread and severity. A higher detectable SARS-CoV-2 plasma viral load was associated with worse respiratory disease severity. However, the relationship between SARS-CoV-2 viral load and airway mucosal gene expression and immune response remains elusive. We profiled the nasal mucosal transcriptome from nasal samples collected from adults infected with SARS-CoV-2 during Spring 2020 with mild-to-moderate symptoms using a comprehensive metatranscriptomics method. We observed a positive correlation between SARS-CoV-2 viral load with interferon signaling, chemokine signaling, and adaptive immune system in adults with COVID-19. Our data suggest that early nasal mucosal immune response to SARS-CoV-2 infection was viral load-dependent and may modify COVID-19 outcomes.

Background: Influenza vaccination aims to prevent infection by influenza virus and reduce associated morbidity and mortality; however, vaccine effectiveness (VE) can be modest, especially for subtype A/H3N2. Failure to achieve consistently high VE has been attributed both to mismatches between the vaccine and circulating influenza strains and to the vaccine's elicitation of protective immunity in only a subset of the population. The low H3N2 VE in 2012-13 was attributed to egg-adaptive mutations that created antigenic mismatch between the intended (A/Victoria/361/2011) and actual vaccine strain (IVR-165). Methods: We investigate the basis of the low VE in 2012-2013 by evaluating whether vaccinated and unvaccinated individuals were infected by different viral strains and assessing the serologic responses to A/Victoria/361/2011 and the IVR-165 vaccine strain in an adult cohort before and after vaccination. Results: We found no significant genetic differences between the strains that infected vaccinated and unvaccinated individuals. Vaccination increased titers to A/Victoria/361/2011 as much as to IVR-165. These results are consistent with the hypothesis that vaccination served merely to boost preexisting cross-reactive immune responses, which provided limited protection against infection with the circulating influenza strains. Conclusions: In contrast to suggestive analyses based on ferret antisera, low H3N2 VE in 2012-13 does not appear to be due to the failure of the egg-adapted strain to induce a response to the intended vaccine strain. Instead, low VE might have been caused by the emergence of antigenically novel influenza strains and low vaccine immunogenicity in a subset of the population.

Historically, enterovirus D68 (EV-D68) has primarily been associated with respiratory illnesses. However, in the summers of 2014 and 2016 EV-D68 outbreaks coincided with a spike in polio-like acute flaccid myelitis/paralysis (AFM/AFP) cases. This raised concerns that the EV-D68 virus could be the causative agent of AFM during these recent outbreaks. To assess the neurotropic capacity of EV-D68, we explored the use of the neuroblastoma-derived neuronal cell line, SH-SY5Y, as a tissue culture model to determine if differential infection permissibility is observed for different EV-D68 strains. In contrast to HeLa and A549 cells, which support viral infection of all EV-D68 strains tested, SH-SY5Y cells only supported infection by a subset of contemporary EV-D68 strains, including members from the 2014 outbreak. Viral replication and infectivity in SH-SY5Y was assessed using four different assays - infectious virus production, cytopathic effects, cellular ATP release, and VP1 capsid protein production - with similar results. Similar differential neurotropism was also observed in differentiated SH-SY5Y cells, primary human neuron cultures, and a mouse paralysis model. Using the SH-SY5Y cell culture model, we determined that barriers to viral entry was at least partly responsible for the differential infectivity phenotype, since transfection of genomic RNA into SH-SY5Y generated virions for all EV-D68 isolates, but only a single round of replication was observed from strains which could not directly infect SH-SY5Y. In addition to supporting virus replication and other functional studies, this cell culture model may help confirm epidemiological associations between EV-D68 strains and AFM and allow for the rapid identification of emerging neurotropic strains.

To probe the limits of CD8+ T cell immunosurveillance, we inserted the model peptide SIINFEKL into influenza A virus (IAV) negative strand gene segments. Although IAV genomic RNA is widely considered as non-coding, there is a conserved, relatively long open reading frame present in the genomic strand of segment eight, encoding a potential protein termed NEG8. The biosynthesis of NEG8 from IAV has yet to be demonstrated. While we failed to detect NEG8 protein expression in IAV infected cells, cell surface Kb-SIINFEKL complexes are generated when SIINFEKL is genetically appended to the predicted COOH-terminus of NEG8, as shown by activation of OT-I T cells in vitro and in vivo. Moreover, recombinant IAV encoding SIINFEKL embedded in the negative strand of the NA-stalk coding sequence also activates OT-I T cells in vivo. Together, our findings demonstrate both the translation of sequences on the negative strand of a single stranded RNA virus and its relevance anti-viral immunosurveillance.