ABSTRACT Following the Zika virus (ZIKV) outbreak in the Americas, ZIKV was causally associated with microcephaly and a range of neurological and developmental symptoms, termed congenital Zika syndrome (CZS). The isolates responsible for this outbreak belonged to the Asian lineage of ZIKV. However, in-vitro and in-vivo studies assessing the pathogenesis of African-lineage ZIKV demonstrated that African-lineage isolates often replicated to high titer and caused more severe pathology than Asian-lineage isolates. To date, the pathogenesis of African-lineage ZIKV in a translational model, particularly during pregnancy, has not been rigorously characterized. Here we infected four pregnant rhesus macaques with a low-passage strain of African-lineage ZIKV and compared its pathogenesis to a cohort of four pregnant rhesus macaques infected with an Asian-lineage isolate and a cohort of mock-infected controls. Viral replication kinetics were not significantly different between the two experimental groups and both groups developed robust neutralizing antibody titers above levels considered to be protective. There was no evidence of significant fetal head growth restriction or gross fetal harm at delivery in either group. However, a significantly higher burden of ZIKV vRNA was found in maternal-fetal interface tissues in the macaques exposed to an African-lineage isolate. Our findings suggest that ZIKV isolates of any genetic lineage pose a threat to women and their infants. IMPORTANCE ZIKV was first identified over 70 years ago in Africa, but most of our knowledge of ZIKV is based on studies of the distinct Asian genetic lineage, which caused the outbreak in the Americas in 2015-16. In its most recent update, the WHO stated that improved understanding of African-lineage pathogenesis during pregnancy must be a priority. Recent detection of African-lineage isolates in Brazil underscores the need to understand the impact of these viruses. Here we provide the first comprehensive assessment of African-lineage ZIKV infection during pregnancy in a translational non-human primate model. We show African-lineage isolates replicate with similar kinetics to Asian-lineage isolates and are capable of infecting the placenta. However, there was no evidence of more severe outcomes with African-lineage isolates. Our results highlight both the threat that African-lineage ZIKV poses to women and their infants and the need for future epidemiological and translational in-vivo studies with African-lineage ZIKV.

Countermeasures against Zika virus (ZIKV), including vaccines, are frequently tested in nonhuman primates (NHP). Macaque models are important for understanding how ZIKV infections impact human pregnancy due to similarities in placental development. The lack of consistent adverse pregnancy outcomes in ZIKV-affected pregnancies poses a challenge in macaque studies where group sizes are often small (4-8 animals). Studies in small animal models suggest that African-lineage Zika viruses can cause more frequent and severe fetal outcomes. No adverse outcomes were observed in macaques inoculated with a low dose of African-lineage ZIKV at gestational day (GD) 45. Here, we inoculate eight pregnant rhesus macaques with a higher dose of African-lineage ZIKV at GD 45 to test the hypothesis that adverse pregnancy outcomes are dose-dependent. Three of eight pregnancies ended prematurely with fetal death. ZIKV was detected in both fetal and placental tissues from all cases of early fetal loss. Further refinements of this challenge system (e.g., varying the dose and timing of infection) could lead to an even more consistent, unambiguous fetal loss phenotype for assessing ZIKV countermeasures in pregnancy. These data demonstrate that high-dose inoculation with African-lineage ZIKV causes pregnancy loss in macaques and also suggest that ZIKV-induced first trimester pregnancy could be strain-specific.

Abstract Zika virus (ZIKV) and dengue virus (DENV) are genetically and antigenically related flaviviruses that now co-circulate in much of the tropical and subtropical world. The rapid emergence of ZIKV in the Americas in 2015 and 2016, and its recent associations with Guillain-Barré syndrome, birth defects, and fetal loss have led to the hypothesis that DENV infection induces cross-reactive antibodies that influence the severity of secondary ZIKV infections. It has also been proposed that pre-existing ZIKV immunity could affect DENV pathogenesis. We examined outcomes of secondary ZIKV infections in three rhesus and fifteen cynomolgus macaques, as well as secondary DENV-2 infections in three additional rhesus macaques up to a year post-primary ZIKV infection. Although cross-binding antibodies were detected prior to secondary infection for all animals and cross-neutralizing antibodies were detected for some animals, previous DENV or ZIKV infection had no apparent effect on the clinical course of heterotypic secondary infections in these animals. All animals had asymptomatic infections and, when compared to controls, did not have significantly perturbed hematological parameters. Rhesus macaques infected with DENV-2 approximately one year after primary ZIKV infection had higher vRNA loads in plasma when compared with serum vRNA loads from ZIKV-naive animals infected with DENV-2, but a differential effect of sample type could not be ruled out. In cynomolgus macaques, the serotype of primary DENV infection did not affect the outcome of secondary ZIKV infection. Author summary Pre-existing immunity to one of the four DENV serotypes is known to increase the risk of severe disease upon secondary infection with a different serotype. Due to the antigenic similarities between ZIKV and DENV, it has been proposed that these viruses could interact in a similar fashion. Data from in vitro experiments and murine models suggests that pre-existing immunity to one virus could either enhance or protect against infection with the other. These somewhat contradictory findings highlight the need for immune competent animal models for understanding the role of cross-reactive antibodies in flavivirus pathogenesis. We examined secondary ZIKV or DENV infections in rhesus and cynomolgus macaques that had previously been infected with the other virus. We assessed the outcomes of secondary ZIKV or DENV infections by quantifying vRNA loads, clinical and laboratory parameters, body temperature, and weight for each cohort of animals and compared them with control animals. These comparisons demonstrated that within a year of primary infection, secondary infections with either ZIKV or DENV were similar to primary infections and were not associated with enhancement or reduction in severity of disease based on the outcomes that we assessed.

Abstract H7N9 avian influenza viruses (AIV) have caused over 1,500 documented human infections since emerging in 2013. Although wild type H7N9 AIV can transmit by respiratory droplets in ferrets, they have not yet caused widespread outbreaks in humans. Previous studies have revealed molecular determinants of H7N9 AIV virus host-switching, but little is known about potential evolutionary constraints on this process. Here we compare patterns of sequence evolution for H7N9 AIV and mammalian H1N1 viruses during replication and transmission in ferrets. We show that three main factors – purifying selection, stochasticity, and very narrow transmission bottlenecks – combine to severely constrain the ability of H7N9 AIV to effectively adapt to mammalian hosts in isolated, acute spillover events. We find rare evidence of natural selection favoring new or mammalian-adapting mutations within ferrets, but no evidence of natural selection acting during transmission. We conclude that human-adapted H7N9 viruses are unlikely to emerge during typical spillover infections. Our findings are instead consistent with a model in which the emergence of a human-transmissible virus would be a rare and unpredictable, though highly consequential, “jackpot” event. Strategies to limit the total number of spillover infections will limit opportunities for the virus to win this evolutionary lottery.

Abstract Background Congenital Zika virus (ZIKV) infection can result in birth defects, including malformations in the fetal brain and visual system. There are two distinct genetic lineages of ZIKV: African and Asian. Asian lineage ZIKVs have been associated with adverse pregnancy outcomes in humans; however, recent evidence from experimental models suggests that African-lineage viruses can also be vertically transmitted and cause fetal harm. Methodology/Principal Findings To evaluate the potential for vertical transmission of African-lineage ZIKV, we inoculated nine pregnant rhesus macaques ( Macaca mulatta ) subcutaneously with 44 plaque- forming units of a ZIKV strain from Senegal, (ZIKV-DAK). Dams were inoculated either at gestational day 30 or 45. Following maternal inoculation, pregnancies were surgically terminated seven or 14 days later and fetal and maternal-fetal interface tissues were collected and evaluated. Infection in the dams was evaluated via plasma viremia and neutralizing antibody titers pre- and post- ZIKV inoculation. All dams became productively infected and developed strong neutralizing antibody responses. ZIKV RNA was detected in maternal-fetal interface tissues (placenta, decidua, and fetal membranes) by RT-qPCR and in situ hybridization. In situ hybridization detected ZIKV predominantly in the decidua and revealed that the fetal membranes may play a role in ZIKV vertical transmission. Infectious ZIKV was detected in the amniotic fluid of three pregnancies and one fetus had ZIKV RNA detected in multiple tissues. No significant pathology was observed in any fetus; however, we did find an increase in the occurrence of decidual vasculitis and necrosis in ZIKV-exposed pregnancies compared to gestational-age-matched controls. Conclusions/Significance This study demonstrates that African-lineage ZIKV, like Asian-lineage ZIKV, can be vertically transmitted to the macaque fetus during pregnancy. The low inoculating dose used in this study suggests a low minimal infectious dose for rhesus macaques. Vertical transmission with a low dose in macaques further supports the high epidemic potential of African ZIKV strains. Author Summary Zika virus infection during pregnancy can result in adverse pregnancy outcomes including birth defects and miscarriage. There are two distinct genetic backgrounds of Zika virus: Asian-lineage and African-lineage. Currently, only Asian-lineage Zika virus is causally associated with adverse pregnancy outcomes in people. However, experimental studies have shown that African-lineage Zika virus can infect the fetus during pregnancy and cause adverse outcomes. Adverse pregnancy outcomes may not be associated with infection in people until there is an outbreak in a naive population. Thus, as African-lineage Zika virus continues to spread globally, the risk that it may pose to pregnant people remains a public health concern. In this study, we demonstrate that African-lineage Zika virus can be transmitted from the mother to the fetus during pregnancy. This study is significant because we used rhesus macaques, an animal that shares many key elements of Zika virus infection in pregnant people. This study is also significant because we inoculated pregnant macaques with a very small amount of virus, suggesting that fetal infection reported in previously published macaque studies is not limited to high-dose inoculation.

Abstract Zika virus (ZIKV) has the unusual capacity to circumvent natural alternating mosquito-human transmission and be directly transmitted human-to-human via sexual and vertical routes. The impact of direct transmission on ZIKV evolution and adaptation to vertebrate hosts is unknown. Here we show that molecularly barcoded ZIKV rapidly adapted to a mammalian host during direct transmission chains in mice, coincident with the emergence of an amino acid substitution previously shown to enhance virulence. In contrast, little to no adaptation of ZIKV to mice was observed following chains of direct transmission in mosquitoes or alternating host transmission. Detailed genetic analyses revealed that ZIKV evolution in mice was generally more convergent and subjected to more relaxed purifying selection than in mosquitoes or alternate passages. These findings suggest that prevention of direct human transmission chains may be paramount to resist gains in ZIKV virulence.

Abstract Spondweni virus (SPONV) is the closest known relative of Zika virus (ZIKV). SPONV pathogenesis resembles that of ZIKV in pregnant mice, and both viruses are transmitted by Aedes aegypti mosquitoes. We aimed to develop a translational model to further understand SPONV transmission and pathogenesis. We found that cynomolgus macaques ( Macaca fascicularis ) inoculated with ZIKV or SPONV were susceptible to ZIKV, but resistant to SPONV infection. In contrast, rhesus macaques ( Macaca mulatta ) supported productive infection with both ZIKV and SPONV and developed robust neutralizing antibody responses. Crossover serial challenge in rhesus macaques revealed that SPONV immunity did not protect against ZIKV infection, whereas ZIKV immunity was fully protective against SPONV infection. These findings establish a viable model for future investigation into SPONV pathogenesis, and suggest the risk of SPONV emergence is low in areas with high ZIKV seroprevalence due to one-way cross-protection between ZIKV and SPONV. Teaser Identification of asymmetric immune interactions between Zika and Spondweni viruses in macaque monkeys.

ABSTRACT Concerns have arisen that pre-existing immunity to dengue virus (DENV) could enhance Zika virus (ZIKV) disease, due to the homology between ZIKV and DENV and the observation of antibody-dependent enhancement (ADE) among DENV serotypes. To date, no study has examined the impact of pre-existing DENV immunity on ZIKV pathogenesis during pregnancy in a translational non-human primate model. Here we show that prior DENV-2 exposure enhanced ZIKV infection of maternal-fetal interface tissues in macaques. However, pre-existing DENV immunity had no detectable impact on ZIKV replication kinetics in maternal plasma, and all pregnancies progressed to term without adverse outcomes or gross fetal abnormalities detectable at delivery. Understanding the risks of ADE to pregnant women worldwide is critical as vaccines against DENV and ZIKV are developed and licensed and as DENV and ZIKV continue to circulate.

Human cytomegalovirus (HCMV) glycoprotein B (gB) is a class III membrane fusion protein required for viral entry. HCMV vaccine candidates containing gB have demonstrated moderate clinical efficacy, but no HCMV vaccine has been approved. Here, we used structure-based design to identify and characterize amino acid substitutions that stabilize gB in its metastable prefusion conformation. One variant containing two engineered interprotomer disulfide bonds and two cavity-filling substitutions (gB-C7), displayed increased expression and thermostability. A 2.8 Å resolution cryoelectron microscopy structure shows that gB-C7 adopts a prefusion-like conformation, revealing additional structural elements at the membrane-distal apex. Unlike previous observations for several class I viral fusion proteins, mice immunized with postfusion or prefusion-stabilized forms of soluble gB protein displayed similar neutralizing antibody titers, here specifically against an HCMV laboratory strain on fibroblasts. Collectively, these results identify initial strategies to stabilize class III viral fusion proteins and provide tools to probe gB-directed antibody responses.

Congenital cytomegalovirus (cCMV) infection is the leading infectious cause of neonatal neurological impairment but essential virological determinants of transplacental CMV transmission remain unclear. The pentameric complex (PC), composed of five subunits, glycoproteins H (gH), gL, UL128, UL130, and UL131A, is essential for efficient entry into non-fibroblast cells in vitro . Based on this role in cell tropism, the PC is considered a possible target for CMV vaccines and immunotherapies to prevent cCMV. To determine the role of the PC in transplacental CMV transmission in a non-human primate model of cCMV, we constructed a PC-deficient rhesus CMV (RhCMV) by deleting the homologues of the HCMV PC subunits UL128 and UL130 and compared congenital transmission to PC-intact RhCMV in CD4+ T cell-depleted or immunocompetent RhCMV-seronegative, pregnant rhesus macaques (RM). Surprisingly, we found that the transplacental transmission rate was similar for PC-intact and PC-deleted RhCMV based on viral genomic DNA detection in amniotic fluid. Moreover, PC-deleted and PC-intact RhCMV acute infection led to similar peak maternal plasma viremia. However, there was less viral shedding in maternal urine and saliva and less viral dissemination in fetal tissues in the PC-deleted group. As expected, dams inoculated with PC-deleted RhCMV demonstrated lower plasma IgG binding to PC-intact RhCMV virions and soluble PC, as well as reduced neutralization of PC-dependent entry of the PC-intact RhCMV isolate UCD52 into epithelial cells. In contrast, binding to gH expressed on the cell surface and neutralization of entry into fibroblasts by the PC-intact RhCMV was higher for dams infected with PC-deleted RhCMV compared to those infected with PC-intact RhCMV. Our data demonstrates that the PC is dispensable for transplacental CMV infection in our non-human primate model.Congenital CMV transmission frequency in seronegative rhesus macaques is not affected by the deletion of the viral pentameric complex.