ABSTRACT Accumulating evidence suggests that severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection causes various neurological symptoms in coronavirus disease 2019 (COVID-19) patients. The most dominant immune cells in the brain are microglia. Yet, the relationship between neurological manifestations, neuroinflammation, and host immune response of microglia to SARS-CoV-2 has not been well characterized. Here, we report that SARS-CoV-2 can directly infect human microglia, eliciting M1-like pro-inflammatory responses, followed by cytopathic effects. Specifically, SARS-CoV-2 infected human microglial clone 3 (HMC3), leading to inflammatory activation and cell death. RNA-seq analysis also revealed that ER stress and immune responses were induced in the early and apoptotic processes in the late phase of viral infection. SARS-CoV-2-infected HMC3 showed the M1 phenotype and produced pro-inflammatory cytokines such as interleukin (IL)-1β, IL-6, and tumour necrosis factor α (TNF-α), but not the anti-inflammatory cytokine IL-10. After this pro-inflammatory activation, SARS-CoV-2 infection promoted both intrinsic and extrinsic death receptor-mediated apoptosis in HMC3. Using K18-hACE2 transgenic mice, murine microglia were also infected by intranasal inoculation of SARS-CoV-2. This infection induced the acute production of pro-inflammatory microglial IL-6 and TNF-α and provoked a chronic loss of microglia. Our findings suggest that microglia are potential mediators of SARS-CoV-2-induced neurological problems and, consequently, can be targets of therapeutic strategies against neurological diseases in COVID-19 patients. IMPORTANCE Recent studies reported neurological manifestations and complications in COVID-19 patients, which are associated with neuroinflammation. As microglia are the dominant immune cells in brains, it needs to be elucidate the relationship between neuroinflammation and host immune response of microglia to SARS-CoV-2. Here, we suggest that SARS-CoV-2 can directly infect human microglia with cytopathic effect (CPE) using human microglial clone 3 (HMC3). The infected microglia were promoted to pro-inflammatory activation following apoptotic cell death. This pro-inflammatory activation was accompanied by the high production of pro-inflammatory cytokines, and led to neurotoxic-M1 phenotype polarization. In vivo , murine microglia were infected and produced pro-inflammatory cytokines and provoked a chronic loss using K18-hACE2 mice. Thus, our data present that SARS-CoV-2-infected microglia are potential mediators of neurological problems in COVID-19 patients. In addition, HMC3 cells are susceptible to SARS-CoV-2 and exhibit the CPE, which can be further used to investigate cellular and molecular mechanisms of neuroinflammation reported in COVID-19 patients.

Summary T helper 17 (Th17) cells regulate mucosal barrier defenses, but also promote multiple autoinflammatory diseases. Although many molecular determinants of Th17 cell differentiation have been described, the transcriptional programs that sustain Th17 cells in vivo remain obscure. The transcription factor RORγt is critical for Th17 cell differentiation, but a distinct role of the closely-related RORα, which is co-expressed in Th17 cells, is not known. Here we demonstrate that, although dispensable for Th17 cell differentiation, RORα governs optimal Th17 responses in peripheral tissues. Thus, the absence of RORα in T cells led to significant reductions in both RORγt expression and effector function amongst Th17 cells, due to need for cooperative RORα and RORγt binding to a newly-identified Rorc enhancer element that is essential for Th17 lineage maintenance in vivo . Altogether, these data point to a non-redundant role of RORα in Th17 lineage maintenance via reinforcement of the RORγt transcriptional program.

Transcriptional regulatory networks (TRNs) provide insight into cellular behavior by describing interactions between transcription factors (TFs) and their gene targets. The Assay for Transposase Accessible Chromatin (ATAC)-seq, coupled with transcription-factor motif analysis, provides indirect evidence of chromatin binding for hundreds of TFs genome-wide. Here, we propose methods for TRN inference in a mammalian setting, using ATAC-seq data to influence gene expression modeling. We rigorously test our methods in the context of T Helper Cell Type 17 (Th17) differentiation, generating new ATAC-seq data to complement existing Th17 genomic resources (plentiful gene expression data, TF knock-outs and ChIP-seq experiments). In this resource-rich mammalian setting, our extensive benchmarking provides quantitative, genome-scale evaluation of TRN inference combining ATAC-seq and RNA-seq data. We refine and extend our previous Th17 TRN, using our new TRN inference methods to integrate all Th17 data (gene expression, ATAC-seq, TF KO, ChIP-seq). We highlight new roles for individual TFs and groups of TFs ("TF-TF modules") in Th17 gene regulation. Given the popularity of ATAC-seq, which provides high-resolution with low sample input requirements, we anticipate that application of our methods will improve TRN inference in new mammalian systems, especially in vivo, for cells directly from humans and animal models.

BACKGROUND Serum amyloid A (SAA) proteins increase dramatically in the blood following inflammation. Recently, SAAs are increased in humans following stroke and in ischemic animal models. However, the impact of SAAs on whether this signal is critical in the ischemic brain remains unknown. Therefore, we investigated the role of SAA and SAA signaling in the ischemic brain. METHODS Wildtype and SAA deficient mice were exposed to middle cerebral artery occlusion and reperfusion, examined for the impact of infarct volumes, behavioral changes, inflammatory markers, TUNEL staining, and BBB changes. The underlying mechanisms were investigated using SAA deficient mice, transgenic mice and viral vectors. RESULTS SAA levels were significantly increase following MCAo and mice deficient in SAAs showed reduced infarct volumes and improved behavioral outcomes. SAA deficient mice showed a reduction in TUNEL staining, inflammation and decreased glial activation. Mice lacking acute phase SAAs demonstrated a reduction in expression of the NLRP3 inflammasome and SAA/NLRP3 KO mice showed improvement. Restoration of SAA expression via SAA tg mice or adenoviral expression reestablished the detrimental effects of SAA. A reduction in BBB permeability was seen in the SAA KO mice and anti-SAA antibody treatment reduced the effects on ischemic injury. CONCLUSIONS SAA signaling plays a critical role in regulating NLRP3-induced inflammation and glial activation in the ischemic brain. Blocking this signal will be a promising approach for treating ischemic stroke. GRAPHIC ABSTRACT A graphic abstract is available for this article.

Lymphoid cells that produce IL-17 cytokines protect barrier tissues from pathogenic microbes, but are also prominent effectors of inflammation and autoimmune disease. T-helper (TH17) cells, defined by RORγt-dependent production of IL-17A and IL-17F, exert homeostatic functions in the gut upon microbiota-directed differentiation from naive CD4+ T cells. In the non-pathogenic setting, their cytokine production is regulated by serum amyloid A proteins (SAA1 and SAA2) secreted by adjacent intestinal epithelial cells. However, TH17 cell behaviors vary markedly according to their environment. Here we show that SAAs additionally direct a pathogenic pro-inflammatory TH17 cell differentiation program, acting directly on T cells in collaboration with STAT3-activating cytokines. Using loss- and gain-of-function mouse models, we show that SAA1, SAA2, and SAA3 have distinct systemic and local functions in promoting TH17-mediated inflammatory diseases. These studies suggest that T cell signaling pathways modulated by the SAAs may be attractive targets for anti-inflammatory therapies.