Although interferon-λ [also known as type III interferon or interleukin-28 (IL-28)/IL-29] restricts infection by several viruses, its inhibitory mechanism has remained uncertain. We used recombinant interferon-λ and mice lacking the interferon-λ receptor (IFNLR1) to evaluate the effect of interferon-λ on infection with West Nile virus, an encephalitic flavivirus. Cell culture studies in mouse keratinocytes and dendritic cells showed no direct antiviral effect of exogenous interferon-λ, even though expression of interferon-stimulated genes was induced. We observed no differences in West Nile virus burden between wild-type and Ifnlr1(-/-) mice in the draining lymph nodes, spleen, or blood. We detected increased West Nile virus infection in the brain and spinal cord of Ifnlr1(-/-) mice, yet this was not associated with a direct antiviral effect in mouse neurons. Instead, we observed an increase in blood-brain barrier permeability in Ifnlr1(-/-) mice. Treatment of mice with pegylated interferon-λ2 resulted in decreased blood-brain barrier permeability, reduced West Nile virus infection in the brain without affecting viremia, and improved survival against lethal virus challenge. An in vitro model of the blood-brain barrier showed that interferon-λ signaling in mouse brain microvascular endothelial cells increased transendothelial electrical resistance, decreased virus movement across the barrier, and modulated tight junction protein localization in a protein synthesis- and signal transducer and activator of transcription 1 (STAT1)-independent manner. Our data establish an indirect antiviral function of interferon-λ in which noncanonical signaling through IFNLR1 tightens the blood-brain barrier and restricts viral neuroinvasion and pathogenesis.

Cytokine storm is suggested as one of the major pathological characteristics of SARS-CoV-2 infection, although the mechanism for initiation of a hyper-inflammatory response, and multi-organ damage from viral infection is poorly understood. In this virus-cell interaction study, we observed that SARS-CoV-2 infection or viral spike protein expression alone inhibited angiotensin converting enzyme-2 (ACE2) receptor protein expression. The spike protein promoted an angiotensin II type 1 receptor (AT1) mediated signaling cascade, induced the transcriptional regulatory molecules NF-κB and AP-1/c-Fos via MAPK activation, and increased IL-6 release. SARS-CoV-2 infected patient sera contained elevated levels of IL-6 and soluble IL-6R. Up-regulated AT1 receptor signaling also influenced the release of extracellular soluble IL-6R by the induction of the ADAM-17 protease. Use of the AT1 receptor antagonist, Candesartan cilexetil, resulted in down-regulation of IL-6/soluble IL-6R release in spike expressing cells. Phosphorylation of STAT3 at the Tyr705 residue plays an important role as a transcriptional inducer for SOCS3 and MCP-1 expression. Further study indicated that inhibition of STAT3 Tyr705 phosphorylation in SARS-CoV-2 infected and viral spike protein expressing epithelial cells did not induce SOCS3 and MCP-1 expression. Introduction of culture supernatant from SARS-CoV-2 spike expressing cells on a model human liver endothelial Cell line (TMNK-1), where transmembrane IL-6R is poorly expressed, resulted in the induction of STAT3 Tyr705 phosphorylation as well as MCP-1 expression. In conclusion, our results indicated that the presence of SARS-CoV-2 spike protein in epithelial cells promotes IL-6 trans-signaling by activation of the AT1 axis to initiate coordination of a hyper-inflammatory response.

Abstract Zika virus (ZIKV) is a re-emerging virus that has recently spread into dengue virus (DENV) endemic regions and cross-reactive antibodies (Abs) could potentially affect ZIKV pathogenesis. Using DENV-immune serum, it has been shown in vitro that antibody-dependent enhancement (ADE) of ZIKV infection can occur. Here we study the effects of pre-existing DENV immunity on ZIKV infection in vivo . We infect two cohorts of rhesus macaques with ZIKV; one cohort has been exposed to DENV 2.8 years earlier and a second control cohort is naïve to flaviviral infection. Our results, while confirming ADE in vitro , suggest that pre-existing DENV immunity does not result in more severe ZIKV disease. Rather our results show a reduction in the number of days of ZIKV viremia compared to naïve macaques and that the previous exposure to DENV may result in modulation of the immune response without resulting in enhancement of ZIKV pathogenesis.

Abstract The novel human coronavirus, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has caused a pandemic resulting in nearly 20 million infections across the globe, as of August 2020. Critical to the rapid evaluation of vaccines and antivirals is the development of tractable animal models of infection. The use of common laboratory strains of mice to this end is hindered by significant divergence of the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), which is the receptor required for entry of SARS-CoV-2. In the current study, we designed and utilized an mRNA-based transfection system to induce expression of the hACE2 receptor in order to confer entry of SARS-CoV-2 in otherwise non-permissive cells. By employing this expression system in an in vivo setting, we were able to interrogate the adaptive immune response to SARS-CoV-2 in type 1 interferon receptor deficient mice. In doing so, we showed that the T cell response to SARS-CoV-2 is enhanced when hACE2 is expressed during infection. Moreover, we demonstrated that these responses are preserved in memory and are boosted upon secondary infection. Interestingly, we did not observe an enhancement of SARS-CoV-2 specific antibody responses with hACE2 induction. Importantly, using this system, we functionally identified the CD4+ and CD8+ peptide epitopes targeted during SARS-CoV-2 infection in H2 b restricted mice. Antigen-specific CD8+ T cells in mice of this MHC haplotype primarily target peptides of the spike and membrane proteins, while the antigen-specific CD4+ T cells target peptides of the nucleocapsid, membrane, and spike proteins. The functional identification of these T cell epitopes will be critical for evaluation of vaccine efficacy in murine models of SARS-CoV-2. The use of this tractable expression system has the potential to be used in other instances of emerging infections in which the rapid development of an animal model is hindered by a lack of host susceptibility factors.

Abstract The SARS-CoV-2 outbreak and subsequent COVID-19 pandemic have highlighted the urgent need to determine what cells are susceptible to infection and for assays to detect and quantify SARS-CoV-2. Furthermore, the ongoing efforts for vaccine development have necessitated the development of rapid, high-throughput methods of quantifying infectious SARS-CoV-2, as well as the ability to screen human polyclonal sera samples for neutralizing antibodies against SARS-CoV-2. To this end, our lab has adapted focus forming assays for SARS-CoV-2 using Vero CCL-81 cells, referred to in this text as Vero WHO. Using the focus forming assay as the basis for screening cell susceptibility and to develop a focus reduction neutralization test. We have shown that this assay is a sensitive tool for determining SARS-CoV-2 neutralizing antibody titer in human, non-human primate, and mouse polyclonal sera following SARS-CoV-2 exposure. Additionally, we describe the viral growth kinetics of SARS-CoV-2 in a variety of different immortalized cell lines and demonstrate via human ACE2 and viral spike protein expression that these cell lines can support viral entry and replication.

Abstract Rift Valley Fever Virus (RVFV) is a veterinary and human pathogen and is an agent of bioterrorism concern. Currently, RVFV treatment is limited to supportive care, so new drugs to control RVFV infection are urgently needed. RVFV is a member of the Bunyavirales order, and replication of these viruses depends on the viral endonuclease activity of the viral L protein. Screening for RVFV replication inhibitors among compounds with divalent cation-coordinating motifs similar to known viral nuclease inhibitors identified 31 novel RVFV inhibitors with selective indexes from 5 – 402 and 50% effective concentrations of 0.54 – 56 µM in Vero cells, primarily α-Hydroxytropolones and N-Hydroxypyridinediones. Inhibitor activity and selective index was validated in the human cell line A549. To evaluate specificity, select compounds were tested against another Bunyavirus, La Crosse Virus (LACV). Conservation of the enzymatic activity such as the cap-snatching mechanism among the Bunyavirales implies that the α-Hydroxytropolone and N-Hydroxypyridinedione chemotypes hold potential for development into treatments for related pathogens, including Hantaan Virus, Severe fever with thrombocytopenia syndrome virus, Crimean-Congo Hemorrhagic Fever Virus, and LACV. Keywords: Rift Valley Fever Virus 1, La Crosse virus 2, Cap-snatching endonuclease 3, Replication inhibitors 4, α-Hydroxytropolones 5, N-Hydroxypyridinediones 6.

ABSTRACT SARS-CoV-2 is the causative agent of COVID-19 and continues to pose a significant public health threat throughout the world. Following SARS-CoV-2 infection, virus-specific CD4+ and CD8+ T cells are rapidly generated to form effector and memory cells and persist in the blood for several months. However, the contribution of T cells in controlling SARS-CoV-2 infection within the respiratory tract are not well understood. Using C57BL/6 mice infected with a naturally occurring SARS-CoV-2 variant (B.1.351), we evaluated the role of T cells in the upper and lower respiratory tract. Following infection, SARS-CoV-2-specific CD4+ and CD8+ T cells are recruited to the respiratory tract and a vast proportion secrete the cytotoxic molecule Granzyme B. Using antibodies to deplete T cells prior to infection, we found that CD4+ and CD8+ T cells play distinct roles in the upper and lower respiratory tract. In the lungs, T cells play a minimal role in viral control with viral clearance occurring in the absence of both CD4+ and CD8+ T cells through 28 days post-infection. In the nasal compartment, depletion of both CD4+ and CD8+ T cells, but not individually, results in persistent and culturable virus replicating in the nasal compartment through 28 days post-infection. Using in situ hybridization, we found that SARS-CoV-2 infection persisted in the nasal epithelial layer of tandem CD4+ and CD8+ T cell-depleted mice. Sequence analysis of virus isolates from persistently infected mice revealed mutations spanning across the genome, including a deletion in ORF6. Overall, our findings highlight the importance of T cells in controlling virus replication within the respiratory tract during SARS-CoV-2 infection.

Abstract Natural infection of SARS-CoV-2 in humans leads to the development of a strong neutralizing antibody response, however the immunodominant targets of the polyclonal neutralizing antibody response are still unknown. Here, we functionally define the role SARS-CoV-2 spike plays as a target of the human neutralizing antibody response. In this study, we identify the spike protein subunits that contain antigenic determinants and examine the neutralization capacity of polyclonal sera from a cohort of patients that tested qRT-PCR-positive for SARS-CoV-2. Using an ELISA format, we assessed binding of human sera to spike subunit 1 (S1), spike subunit 2 (S2) and the receptor binding domain (RBD) of spike. To functionally identify the key target of neutralizing antibody, we depleted sera of subunit-specific antibodies to determine the contribution of these individual subunits to the antigen-specific neutralizing antibody response. We show that epitopes within RBD are the target of a majority of the neutralizing antibodies in the human polyclonal antibody response . These data provide critical information for vaccine development and development of sensitive and specific serological testing.

SARS-CoV-2 infection induces the generation of virus-specific CD4 + and CD8 + effector and memory T cells. However, the contribution of T cells in controlling SARS-CoV-2 during infection is not well understood. Following infection of C57BL/6 mice, SARS-CoV-2–specific CD4 + and CD8 + T cells are recruited to the respiratory tract, and a vast proportion secrete the cytotoxic molecule granzyme B. Using depleting antibodies, we found that T cells within the lungs play a minimal role in viral control, and viral clearance occurs in the absence of both CD4 + and CD8 + T cells through 28 days postinfection. In the nasal compartment, depletion of both CD4 + and CD8 + T cells, but not individually, results in persistent, culturable virus replicating in the nasal epithelial layer through 28 days postinfection. Viral sequencing analysis revealed adapted mutations across the SARS-CoV-2 genome, including a large deletion in ORF6. Overall, our findings highlight the importance of T cells in controlling virus replication within the respiratory tract during SARS-CoV-2 infection.

ABSTRACT The 2015/16 Zika virus epidemic in South and Central America left the scientific community urgently trying to understand the disease and the factors which modulate Zika virus pathogenesis. Multiple other flaviviruses are endemic in areas where Zika virus emerged in 2015/16. Therefore, it is hypothesized that a key to understanding how Zika virus infection and disease progresses, is to study Zika virus infection in the context of prior flavivirus exposure. Humans and animal studies have highlighted the idea that having been previously exposed to a heterologous flavivirus may modulate the immune response to Zika virus. However, it is still unclear 1) how this impacts viral burden and pathology, and 2) the factors which correlate with the multiple metrics of disease. In this murine study, we longitudinally examine multiple factors involved in Zika disease, linking viral burden over time with increased neurological disease severity and weight loss. We show that prior heterologous flavivirus exposure with dengue virus type 2 or 3, or the vaccine strain of yellow fever, provides protection from mortality in a lethal Zika challenge. Reduction in viral burden and Zika disease in the context of prior flavivirus exposure varies depending on the infecting primary virus; with primary Zika infection being most protective from Zika challenge, followed by dengue 2, yellow fever, and dengue 3. This study demonstrates a protective effect of prior heterologous flavivirus exposure on Zika virus pathogenesis, and defines the relationship between prior flavivirus exposure and the potential for Zika virus disease. IMPORTANCE The emergence and re-emergence of various vector-borne diseases in recent years highlights the need to understand the mechanisms of protection for each pathogen. In this study, we investigated the impact of prior exposure to Zika, dengue serotypes 2, 3, and the vaccine strain of yellow fever on pathogenesis and disease outcomes in a mouse model of Zika virus infection. We found that prior exposure to a heterologous flavivirus was protective from mortality, neurological disease, weight loss, and severe viral burden during a lethal Zika challenge. Using a longitudinal study design, we were able to link multiple disease parameters including viral burden over time with neurological disease severity and weight loss in the context of heterologous infection. This study demonstrates a role for heterologous flavivirus exposure in modulating flavivirus pathophysiology. Given the cyclic nature of most flavivirus outbreaks, this work will contribute to the forecasting of disease severity for future outbreaks.