Activation of the RIG-I-like receptors, retinoic-acid inducible gene I (RIG-I) and melanoma differentiation-associated protein 5 (MDA5), establishes an antiviral state by upregulating interferon (IFN)-stimulated genes (ISGs). Among these is ISG15, the mechanistic roles of which in innate immunity still remain enigmatic. In the present study, we report that ISG15 conjugation is essential for antiviral IFN responses mediated by the viral RNA sensor MDA5. ISGylation of the caspase activation and recruitment domains of MDA5 promotes its oligomerization and thereby triggers activation of innate immunity against a range of viruses, including coronaviruses, flaviviruses and picornaviruses. The ISG15-dependent activation of MDA5 is antagonized through direct de-ISGylation mediated by the papain-like protease of SARS-CoV-2, a recently emerged coronavirus that has caused the COVID-19 pandemic. Our work demonstrates a crucial role for ISG15 in the MDA5-mediated antiviral response, and also identifies a key immune evasion mechanism of SARS-CoV-2, which may be targeted for the development of new antivirals and vaccines to combat COVID-19. ISG15 conjugation is essential to activate the RIG-I-like receptor MDA5 and trigger antiviral responses. SARS-CoV-2 suppresses MDA5 activation by direct PLpro-mediated de-ISGylation to escape innate immunity.

ABSTRACT Activation of the RIG-I-like receptors, RIG-I and MDA5, establishes an antiviral state by upregulating interferon (IFN)-stimulated genes (ISGs). Among these is ISG15 whose mechanistic roles in innate immunity still remain enigmatic. Here we report that ISGylation is essential for antiviral IFN responses mediated by the viral RNA sensor MDA5. ISG15 conjugation to the caspase activation and recruitment domains of MDA5 promotes the formation of higher-order assemblies of MDA5 and thereby triggers activation of innate immunity against a range of viruses including coronaviruses, flaviviruses and picornaviruses. The ISG15-dependent activation of MDA5 is antagonized through direct de-ISGylation mediated by the papain-like protease (PLpro) of SARS-CoV-2, a recently emerged coronavirus that causes the COVID-19 pandemic. Our work demonstrates a crucial role for ISG15 in the MDA5-mediated antiviral response, and also identifies a novel immune evasion mechanism of SARS-CoV-2, which may be targeted for the development of new antivirals and vaccines to combat COVID-19.

Single-cell transcriptomic studies that require intracellular protein staining, rare cell sorting, or inactivation of infectious pathogens are severely limited because current high-throughput RNA sequencing methods are incompatible with paraformaldehyde treatment, a common tissue and cell fixation and preservation technique. Here we present FD-seq, a high-throughput method for droplet-based RNA sequencing of paraformaldehyde-fixed, stained and sorted single-cells. We show that FD-seq preserves the mRNA integrity and relative abundances during fixation and subsequent cell retrieval. Furthermore, FD-seq detects a higher number of genes and transcripts than methanol fixation. We applied FD-seq to investigate two important questions in Virology. First, by analyzing a rare population of cells supporting lytic reactivation of the human tumor virus KSHV, we identified TMEM119 as a host factor that mediates viral reactivation. Second, we found that upon infection with the betacoronavirus OC43, which causes the common cold and is a close relative of SARS-CoV-2, pro-inflammatory pathways are primarily upregulated in lowly-infected cells that are exposed to the virus but fail to express high levels of viral genes. FD-seq thus enables integrating phenotypic with transcriptomic information in rare cell populations, and preserving and inactivating pathogenic samples that cannot be handled under regular biosafety measures.

Abstract Staphylococcus aureus infects approximately 30% of the human population and causes a spectrum of pathologies ranging from mild skin infections to life-threatening invasive diseases. The strict host specificity of its virulence factors has severely limited the accuracy of in vivo models for the development of vaccines and therapeutics. To resolve this, we generated a humanised zebrafish model and determined that neutrophil-specific expression of the human C5a receptor conferred susceptibility to the S. aureus toxins PVL and HlgCB, leading to reduced neutrophil numbers at the site of infection and increased infection-associated mortality as a direct result of the interaction between S. aureus and the receptor. These results show that humanised zebrafish provide a valuable platform to study the contribution of human-specific S. aureus virulence factors to infection in vivo that could facilitate the development of novel therapeutic approaches and essential vaccines.

The neutrophil enzyme myeloperoxidase (MPO) is a major enzyme made by neutrophils to generate antimicrobial and immunomodulatory compounds, notably hypochlorous acid (HOCl), amplifying their capacity for destroying pathogens and regulating inflammation. Despite its roles in innate immunity, the importance of MPO in preventing infection is unclear, as individuals with MPO deficiency are asymptomatic with the exception of an increased risk of candidiasis. Dysregulation of MPO activity is also linked with inflammatory conditions such as atherosclerosis, emphasising a need to understand the roles of the enzyme in greater detail. Consequently, new tools for investigating granular dynamics in vivo can provide useful insights into how MPO localises within neutrophils, aiding understanding of its role in preventing and exacerbating disease. The zebrafish is a powerful model for investigating the immune system in vivo, as it is genetically tractable, and optically transparent. To visualise MPO activity within zebrafish neutrophils, we created a genetic construct that expresses human MPO as a fusion protein with a C-terminal fluorescent tag, driven by the neutrophil-specific promoter lyz. After introducing the construct into the zebrafish genome by Tol2 transgenesis, we established the Tg(lyz:Hsa.MPO-mEmerald,cmlc2:EGFP)sh496 line, and confirmed transgene expression in zebrafish neutrophils. We observed localisation of MPO-mEmerald within a subcellular location resembling neutrophil granules, mirroring MPO in human neutrophils. In Spotless (mpxNL144) larvae - which express a non-functional zebrafish myeloperoxidase - the MPO-mEmerald transgene does not disrupt neutrophil migration to sites of infection or inflammation, suggesting that it is a suitable line for the study of neutrophil granule function. We present a novel transgenic line that can be used to investigate neutrophil granule dynamics in vivo without disrupting neutrophil behaviour, with potential applications in studying processing and maturation of MPO during development.