The most severe and fatal infections with SARS-CoV-2 result in the acute respiratory distress syndrome, a clinical phenotype of coronavirus disease 2019 (COVID-19) that is associated with virions targeting the epithelium of the distal lung, particularly the facultative progenitors of this tissue, alveolar epithelial type 2 cells (AT2s). Little is known about the initial responses of human lung alveoli to SARS-CoV-2 infection due in part to inability to access these cells from patients, particularly at early stages of disease. Here we present an in vitro human model that simulates the initial apical infection of the distal lung epithelium with SARS-CoV-2, using AT2s that have been adapted to air-liquid interface culture after their derivation from induced pluripotent stem cells (iAT2s). We find that SARS-CoV-2 induces a rapid global transcriptomic change in infected iAT2s characterized by a shift to an inflammatory phenotype predominated by the secretion of cytokines encoded by NF-kB target genes, delayed epithelial interferon responses, and rapid loss of the mature lung alveolar epithelial program. Over time, infected iAT2s exhibit cellular toxicity that can result in the death of these key alveolar facultative progenitors, as is observed in vivo in COVID-19 lung autopsies. Importantly, drug testing using iAT2s confirmed an antiviral dose-response to remdesivir and demonstrated the efficacy of TMPRSS2 protease inhibition, validating a putative mechanism used for viral entry in human alveolar cells. Our model system reveals the cell-intrinsic responses of a key lung target cell to infection, providing a physiologically relevant platform for further drug development and facilitating a deeper understanding of COVID-19 pathogenesis.

Abstract Colistin represents one of the very few available drugs for treating infections caused by carbapenem resistant Enterobacteriaceae (CRE). As such, the recent plasmid-mediated spread of the mobilized colistin resistance gene mcr-1 poses a significant public health threat requiring global monitoring and surveillance. In this work, we characterize the global distribution of mcr-1 using a dataset of 457 mcr-1 positive sequenced isolates consisting of currently publicly available mcr-1 carrying sequences combined with an additional 110 newly sequenced mcr-1 positive isolates from China. We find mcr-1 in a diversity of plasmid backgrounds but identify an immediate background common to all mcr-1 sequences. Our analyses establish that all mcr-1 elements in circulation descend from the same initial mobilization of mcr-1 by an ISA pl1 transposon in the mid 2000s (2002-2008; 95% higher posterior density), followed by a dramatic demographic expansion, which led to its current global distribution. Our results provide the first systematic phylogenetic analysis of the origin and spread of mcr-1 , and emphasize the importance of understanding the movement of mobile elements carrying antibiotic resistance genes across multiple levels of genomic organization.

Abstract The mobile resistance gene bla NDM encodes the NDM enzyme which hydrolyses carbapenems, a class of antibiotics used to treat some of the most severe bacterial infections. bla NDM is globally distributed across a variety of Gram-negative bacteria on multiple plasmids, typically located within a highly recombining and transposon-rich genomic region. This complexity means the dynamics underlying the dissemination of bla NDM remain poorly resolved. In this work, we compile a dataset of over 6000 bacterial genomes harbouring the bla NDM gene including 104 newly generated PacBio hybrid assemblies from clinical and livestock associated isolates across China. We develop a novel computational approach to track structural variants surrounding bla NDM in bacterial genomes. This allows us to identify the prevalent genomic contexts of bla NDM and reconstruct the key mobile genetic elements and events in its global spread. We estimate that bla NDM emerged on a Tn 125 transposon before 1985 but only reached a global prevalence around a decade after its first recorded observation in 2005. We find that the Tn 125 transposon played an important role in early plasmid-mediated jumps of bla NDM but was overtaken by other elements in recent years including IS26-flanked pseudo-composite transposons and Tn 3000 . Lastly, we observe a notable correlation between plasmid backbones bearing bla NDM and the sampling location of isolates. This observation suggests that the dissemination of resistance genes is mainly driven by successive between-plasmid transposon jumps, with plasmid exchange much more restricted due to the adaptation of plasmids to specific bacterial hosts.

The derivation of self-renewing tissue-specific stem cells from human induced pluripotent stem cells (iPSCs) would shorten the time needed to engineer mature cell types in vitro and would have broad reaching implications for the field of regenerative medicine. Here we report the directed differentiation of human iPSCs into putative airway basal cells (iBCs), a population resembling the epithelial stem cell of lung airways. Using a dual fluorescent reporter system (NKX2-1GFP;TP63tdTomato) we track and purify these cells over time, as they first emerge from iPSC-derived foregut endoderm as developmentally immature NKX2-1GFP+ lung progenitors which then augment a TP63 program during subsequent proximal airway epithelial patterning. These cells clonally proliferate, initially as NKX2-1GFP+/TP63tdTomato+ immature airway progenitors that lack expression of the adult basal cell surface marker NGFR. However, in response to primary basal cell medium, NKX2-1GFP+/ TP63tdTomato+ cells upregulate NGFR and display the molecular and functional phenotype of airway basal stem cells, including the capacity to clonally self-renew or undergo multilineage ciliated and secretory epithelial differentiation in air-liquid interface cultures. iBCs and their differentiated progeny recapitulate several fundamental physiologic features of normal primary airway epithelial cells and model perturbations that characterize acquired and genetic airway diseases. In an asthma model of mucus metaplasia, the inflammatory cytokine IL-13 induced an increase in MUC5AC+ cells similar to primary cells. CFTR-dependent chloride flux in airway epithelium generated from cystic fibrosis iBCs or their syngeneic CFTR-corrected controls exhibited a pattern consistent with the flux measured in primary diseased and normal human airway epithelium, respectively. Finally, multiciliated cells generated from an individual with primary ciliary dyskinesia recapitulated the ciliary beat and ultrastructural defects observed in the donor. Thus, we demonstrate the successful de novo generation of a tissue-resident stem cell-like population in vitro from iPSCs, an approach which should facilitate disease modeling and future regenerative therapies for a variety of diseases affecting the lung airways.

Summary There is an urgent need to understand how SARS-CoV-2 infects the airway epithelium and in a subset of individuals leads to severe illness or death. Induced pluripotent stem cells (iPSCs) provide a near limitless supply of human cells that can be differentiated into cell types of interest, including airway epithelium, for disease modeling. We present a human iPSC-derived airway epithelial platform, composed of the major airway epithelial cell types, that is permissive to SARS-CoV-2 infection. Subsets of iPSC-airway cells express the SARS-CoV-2 entry factors ACE2 and TMPRSS2. Multiciliated cells are the primary initial target of SARS-CoV-2 infection. Upon infection with SARS-CoV-2, iPSC-airway cells generate robust interferon and inflammatory responses and treatment with remdesivir or camostat methylate causes a decrease in viral propagation and entry, respectively. In conclusion, iPSC-derived airway cells provide a physiologically relevant in vitro model system to interrogate the pathogenesis of, and develop treatment strategies for, COVID-19 pneumonia. Highlights and eTOC blurb Subsets of human iPSC-airway epithelial cells express SARS-Co-V entry factors ACE2 and TMPRSS2 . iPSC-airway cells are permissive to SARS-CoV-2 infection via multiciliated cells. SARS-CoV-2 infection of iPSC-airway leads to a robust interferon and inflammatory response. iPSC-airway is a physiologically relevant model to study SARS-CoV-2 infection.