Using genome-wide approaches, we have elucidated the regulatory circuitry governed by the XBP1 transcription factor, a key effector of the mammalian unfolded protein response (UPR), in skeletal muscle and secretory cells. We identified a core group of genes involved in constitutive maintenance of ER function in all cell types and tissue- and condition-specific targets. In addition, we identified a cadre of unexpected targets that link XBP1 to neurodegenerative and myodegenerative diseases, as well as to DNA damage and repair pathways. Remarkably, we found that XBP1 regulates functionally distinct targets through different sequence motifs. Further, we identified Mist1, a critical regulator of differentiation, as an important target of XBP1, providing an explanation for developmental defects associated with XBP1 loss of function. Our results provide a detailed picture of the regulatory roadmap governed by XBP1 in distinct cell types as well as insight into unexplored functions of XBP1.

The rapid spread of Zika virus (ZIKV) and its association with abnormal brain development constitute a global health emergency. Congenital ZIKV infection produces a range of mild to severe pathologies, including microcephaly. To understand the pathophysiology of ZIKV infection, we used models of the developing brain that faithfully recapitulate the tissue architecture in early to midgestation. We identify the brain cell populations that are most susceptible to ZIKV infection in primary human tissue, provide evidence for a mechanism of viral entry, and show that a commonly used antibiotic protects cultured brain cells by reducing viral proliferation. In the brain, ZIKV preferentially infected neural stem cells, astrocytes, oligodendrocyte precursor cells, and microglia, whereas neurons were less susceptible to infection. These findings suggest mechanisms for microcephaly and other pathologic features of infants with congenital ZIKV infection that are not explained by neural stem cell infection alone, such as calcifications in the cortical plate. Furthermore, we find that blocking the glia-enriched putative viral entry receptor AXL reduced ZIKV infection of astrocytes in vitro, and genetic knockdown of AXL in a glial cell line nearly abolished infection. Finally, we evaluate 2,177 compounds, focusing on drugs safe in pregnancy. We show that the macrolide antibiotic azithromycin reduced viral proliferation and virus-induced cytopathic effects in glial cell lines and human astrocytes. Our characterization of infection in the developing human brain clarifies the pathogenesis of congenital ZIKV infection and provides the basis for investigating possible therapeutic strategies to safely alleviate or prevent the most severe consequences of the epidemic.

The rapid spread of Zika virus (ZIKV) and its association with abnormal brain development constitute a global health emergency. Congenital ZIKV infection produces a range of mild to severe pathologies, including placental damage and microcephaly. However, the placenta’s role in viral transmission and the mechanisms of microcephaly have not been addressed in primary human tissues. Moreover, there is an urgent need for drugs that can prevent developmental defects following infection. Here, we identify the placental and brain cell populations most susceptible to ZIKV infection, provide evidence for a mechanism of viral entry, and show that a commonly used antibiotic protects cultured brain cells by inhibiting viral proliferation. In the early gestation placenta, the virus readily infected trophoblast subpopulations that are in direct contact with maternal blood and uterine cells, suggesting routes of ZIKV transmission to the embryo and fetus. In the brain, ZIKV preferentially infected neural stem cells, astrocytes, and microglia, whereas neurons were less susceptible to infection. These findings suggest mechanisms for microcephaly and other pathologic features of infants with congenital ZIKV infection that are not explained by neural stem cell infection alone, such as calcifications in the cortical plate and brain abnormalities caused by third trimester infection. Blocking a putative viral entry receptor, AXL, which is highly enriched in the infected placenta and brain cell types, reduced ZIKV infection of astrocytes in vitro . In a glial cell line, the macrolide antibiotic, azithromycin, inhibited viral proliferation and viral-induced cytopathic effects at clinically relevant concentrations. Our characterization of infection in primary human tissues clarifies the pathogenesis of congenital ZIKV infection and provides critical context for interpreting results from model systems. Further work on azithromycin and related compounds may yield additional therapeutic strategies to safely alleviate or prevent the most severe consequences of the epidemic.

Abstract Management of the COVID-19 pandemic requires widespread SARS-CoV-2 testing. A main limitation for widespread SARS-CoV-2 testing is the global shortage of essential supplies, among these, RNA extraction kits. The need for commercial RNA extraction kits places a bottleneck on tests that detect SARS-CoV-2 genetic material, including PCR-based reference tests. Here we propose an alternative method we call PEARL ( P recipitation E nhanced A nalyte R etrieva L ) that addresses this limitation. PEARL uses a lysis solution that disrupts cell membranes and viral envelopes while simultaneously providing conditions suitable for alcohol-based precipitation of RNA, DNA, and proteins. PEARL is a fast, low-cost, and simple method that uses common laboratory reagents and offers comparable performance to commercial RNA extraction kits. PEARL offers an alternative method to isolate host and pathogen nucleic acids and proteins to streamline the detection of DNA and RNA viruses, including SARS-CoV-2.

High-throughput dynamic imaging of cells and organelles is essential for understanding complex cellular responses. We report Mantis, a high-throughput 4D microscope that integrates two complementary, gentle, live-cell imaging technologies: remote-refocus label-free microscopy and oblique light-sheet fluorescence microscopy. Additionally, we report shrimPy (Smart High-throughput Robust Imaging and Measurement in Python), an open-source software for high-throughput imaging, deconvolution, and single-cell phenotyping of 4D data. Using Mantis and shrimPy, we achieved high-content correlative imaging of molecular dynamics and the physical architecture of 20 cell lines every 15 min over 7.5 h. This platform also facilitated detailed measurements of the impacts of viral infection on the architecture of host cells and host proteins. The Mantis platform can enable high-throughput profiling of intracellular dynamics, long-term imaging and analysis of cellular responses to perturbations, and live-cell optical screens to dissect gene regulatory networks.

ABSTRACT Poxviruses are a large group of DNA viruses with exclusively cytoplasmic life cycles and complex gene expression programs. A number of systems-level studies have analyzed bulk transcriptome and proteome changes upon poxvirus infection, but the cell-to-cell heterogeneity of the transcriptomic response, and the subcellular resolution of proteomic changes have remained unexplored. Here, we measured single-cell transcriptomes of Vaccinia virus-infected populations of HeLa cells and immortalized human fibroblasts, resolving the cell-to-cell heterogeneity of infection dynamics and host responses within those cell populations. We further integrated our transcriptomic data with changes in the levels and subcellular localization of the host and viral proteome throughout the course of Vaccinia virus infection. Our findings from single-cell RNA sequencing indicate conserved transcriptome changes independent of the cellular context, including widespread host shutoff, heightened expression of cellular transcripts implicated in stress responses, the rapid accumulation of viral transcripts, and the robust activation of antiviral pathways in bystander cells. While most host factors were co-regulated at the RNA and protein level, we identified a subset of factors where transcript and protein levels were discordant in infected cells; predominantly factors involved in transcriptional and post-transcriptional mRNA regulation. In addition, we detected the relocalization of several host proteins such as TENT4A, NLRC5, and TRIM5, to different cellular compartments in infected cells. Collectively, our comprehensive data provide spatial and temporal resolution of the cellular and viral transcriptomes and proteomes and offer a robust foundation for in-depth exploration of virus-host interactions in poxvirus-infected cells.

The COVID-19 pandemic has created massive demand for widespread, distributed tools for detecting SARS-CoV-2 genetic material. The hurdles to scalable testing include reagent and instrument accessibility, availability of highly-trained personnel, and large upfront investment. Here we showcase an orthogonal pipeline we call CREST (Cas13-based, Rugged, Equitable, Scalable Testing) that addresses some of these hurdles. Specifically, CREST pairs commonplace and reliable biochemical methods (PCR) with low-cost instrumentation, without sacrificing detection sensitivity. By taking advantage of simple fluorescence visualizers, CREST allows for a binary interpretation of results. CREST may provide a point-of-care solution to increase the distribution of COVID-19 surveillance.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Abstract High-throughput dynamic imaging of cells and organelles is important for parsing complex cellular responses. We report a high-throughput 4D microscope, named Mantis, that combines two complementary, gentle, live-imaging technologies: remote-refocus label-free microscopy and oblique light-sheet fluorescence microscopy. We also report open-source software for automated acquisition, registration, and reconstruction, and virtual staining software for single-cell segmentation and phenotyping. Mantis enabled high-content correlative imaging of molecular components and the physical architecture of 20 cell lines every 15 minutes over 7.5 hours, and also detailed measurements of the impacts of viral infection on the architecture of host cells and host proteins. The Mantis platform can enable high-throughput profiling of intracellular dynamics, long-term imaging and analysis of cellular responses to stress, and live cell optical screens to dissect gene regulatory networks.

The Endoplasmic Reticulum (ER)-resident HSP70 chaperone BiP (HSPA5) plays a crucial role in maintaining and restoring protein folding homeostasis in the ER. BiP function is often dysregulated in cancer and virus-infected cells, conferring pro-oncogenic and pro-viral advantages. We explored BiP functions during infection by the Kaposi9s sarcoma-associated herpesvirus (KSHV), an oncogenic gamma-herpesvirus associated with cancers of immunocompromised patients. Our findings reveal that BiP protein levels are upregulated in infected epithelial cells during the lytic phase of KSHV infection. This upregulation occurs independently of the unfolded protein response (UPR), a major signaling pathway that regulates BiP availability. Genetic and pharmacological inhibition of BiP halts KSHV viral replication and reduces the proliferation and survival of KSHV-infected cells. Notably, inhibition of BiP limits the spread of other alpha- and beta-herpesviruses and poxviruses with minimal toxicity for normal cells. Our work suggests that BiP is a potential target for developing broad-spectrum antiviral therapies against double-stranded DNA viruses and a promising candidate for therapeutic intervention in KSHV-related malignancies.