SARS-CoV-2 utilizes a number of strategies to modulate viral and host mRNA translation. Here, we used ribosome profiling in SARS-CoV-2 infected model cell lines and primary airway cells grown at the air-liquid interface to gain a deeper understanding of the translationally regulated events in response to virus replication. We find that SARS-CoV-2 mRNAs dominate the cellular mRNA pool but are not more efficiently translated than cellular mRNAs. SARS-CoV-2 utilized a highly efficient ribosomal frameshifting strategy in comparison to HIV-1, suggesting utilization of distinct structural elements. In the highly permissive cell models, although SARS-CoV-2 infection induced the transcriptional upregulation of numerous chemokines, cytokines and interferon stimulated genes, many of these mRNAs were not translated efficiently. Impact of SARS-CoV-2 on host mRNA translation was more subtle in primary cells, with marked transcriptional and translational upregulation of inflammatory and innate immune responses and downregulation of processes involved in ciliated cell function. Together, these data reveal the key role of mRNA translation in SARS-CoV-2 replication and highlight unique mechanisms for therapeutic development.

ABSTRACT Established in vitro models for SARS-CoV-2 infection are limited and include cell lines of non-human origin and those engineered to overexpress ACE2, the cognate host cell receptor. We identified human H522 lung adenocarcinoma cells as naturally permissive to SARS-CoV-2 infection despite complete absence of ACE2. Infection of H522 cells required the SARS-CoV-2 spike protein, though in contrast to ACE2-dependent models, spike alone was not sufficient for H522 infection. Temporally resolved transcriptomic and proteomic profiling revealed alterations in cell cycle and the antiviral host cell response, including MDA5-dependent activation of type-I interferon signaling. Focused chemical screens point to important roles for clathrin-mediated endocytosis and endosomal cathepsins in SARS-CoV-2 infection of H522 cells. These findings imply the utilization of an alternative SARS-CoV-2 host cell receptor which may impact tropism of SARS-CoV-2 and consequently human disease pathogenesis.

Abstract Ciliary motility is driven by axonemal dyneins that are assembled in the cytoplasm before deployment to cilia. Motile ciliopathy can result from defects in the dyneins themselves or from defects in factors required for their cytoplasmic pre-assembly. Recent work demonstrates that axonemal dyneins, their specific assembly factors, and broadly acting chaperones are concentrated in liquid-like organelles in the cytoplasm called DynAPs (Dynein Axonemal Particles). Here, we use in vivo imaging to show that inner dynein arm (IDA) and outer dynein arm (ODA) subunits are partitioned into non-overlapping sub-regions within DynAPs. Using affinity purification mass-spectrometry of in vivo interaction partners, we also identify novel partners for inner and outer dynein arms. Among these, we identify C16orf71/Daap1 as a novel axonemal dynein regulator. Daap1 interacts with ODA subunits, localizes specifically to the cytoplasm, is enriched in DynAPs, and is required for the deployment of ODAs to axonemes. Our work reveals a new complexity in the structure and function of a cell-type specific liquid-like organelle that is directly relevant to human genetic disease.

Abstract Motile cilia project from the airway apical surface and directly interface with inhaled external environment. Due to cilia’s nanoscale dimension and high beating frequency, quantitative assessment of their motility remains a sophisticated task. Here we described a robust approach for reproducible engineering of apical-out airway organoid (AOAO) of defined size. Propelled by exterior-facing cilia beating, the mature AOAO exhibited stable rotational motion when surrounded by Matrigel. We developed a computational framework leveraging computer vision algorithms to quantify AOAO rotation and validated its correlation with direct measurement of cilia motility. We further established the feasibility of using AOAO rotation to recapitulate and measure defective cilia motility caused by chemotherapy-induced toxicity and by CCDC39 mutations in cells from primary ciliary dyskinesia patient. We expect our rotating AOAO model and the associated computational pipeline to offer a generalizable framework to expediate modeling of and therapeutic development for genetic and environmental ciliopathies.

Summary Motile cilia have essential cellular functions in development, reproduction, and homeostasis. Genetic causes for motile ciliopathies have been identified, but the consequences on cellular functions beyond impaired motility remain unknown. Variants in CCDC39 and CCDC40 cause severe disease not explained by loss of motility. Using human cells with pathological variants in these genes, Chlamydomonas genetics, cryo-electron microscopy, single cell RNA transcriptomics, and proteomics, we identified perturbations in multiple cilia-independent pathways. Absence of the axonemal CCDC39/CCDC40 heterodimer results in loss of a connectome of over 90 proteins. The undocked connectome activates cell quality control pathways, switches multiciliated cell fate, impairs microtubule architecture, and creates a defective periciliary barrier. Both cilia-dependent and independent defects are likely responsible for the disease severity. Our findings provide a foundation for reconsidering the broad cellular impact of pathologic variants in ciliopathies and suggest new directions for therapies.

Abstract Most motile cilia have a stereotyped structure of nine microtubule outer doublets and a single central pair of microtubules. The central pair microtubules are surrounded by a set of proteins, termed the central pair apparatus. A specific kinesin, Klp1 projects from the central pair and contributes to ciliary motility in Chlamydomonas . The vertebrate orthologue, Kif9 is required for beating in mouse sperm flagella, but the mechanism of Kif9/Klp1 function remains poorly defined. Here, using Xenopus epidermal multiciliated cells, we show that Kif9 is necessary for ciliary motility as well as leads to defects in the distal localization of not only central pair proteins, but also radial spokes and dynein arms. In addition, single-molecule assays in vitro revealed that Xenopus Kif9 is a processive motor, though like axonemal dyneins it displays no processivity in ciliary axonemes in vivo . Thus, our data suggest that Kif9 plays both indirect and direct role in ciliary motility.

Abstract Ultrastructure expansion microscopy (U-ExM) involves the physical magnification of specimens embedded in hydrogels, which allows for super-resolution imaging of subcellular structures using a conventional diffraction-limited microscope. Methods for expansion microscopy exist for several organisms, organs, and cell types, and used to analyze cellular organelles and substructures in nanoscale resolution. Here, we describe a simple step-by-step U-ExM protocol for the expansion, immunostaining, imaging, and analysis of cytoskeletal and organellar structures in kidney tissue. We detail the critical modified steps to optimize isotropic kidney tissue expansion, and preservation of the renal cell structures of interest. We demonstrate the utility of the approach using several markers of renal cell types, centrioles, cilia, the extracellular matrix, and other cytoskeletal elements. Finally, we show that the approach works well on mouse and human kidney samples that were preserved using different fixation and storage conditions. Overall, this protocol provides a simple and cost-effective approach to analyze both pre-clinical and clinical renal samples in high detail, using conventional lab supplies and standard widefield or confocal microscopy.

DNAAF5 is a dynein motor assembly factor associated with the autosomal heterogenic recessive condition of motile cilia, primary ciliary dyskinesia (PCD). The effects of allele heterozygosity on motile cilia function are unknown. We used CRISPR-Cas9 genome editing in mice to recreate a human missense variant identified in patients with mild PCD and a second, frameshift null deletion in Dnaaf5 . Litters with Dnaaf5 heteroallelic variants showed distinct missense and null gene dosage effects. Homozygosity for the null Dnaaf5 alleles was embryonic lethal. Compound heterozygous animals with the missense and null alleles showed severe disease manifesting as hydrocephalus and early lethality. However, animals homozygous for the missense mutation had improved survival, with partial preserved cilia function and motor assembly observed by ultrastructure analysis. Notably, the same variant alleles exhibited divergent cilia function across different multiciliated tissues. Proteomic analysis of isolated airway cilia from mutant mice revealed reduction in some axonemal regulatory and structural proteins not previously reported in DNAAF5 variants. While transcriptional analysis of mouse and human mutant cells showed increased expression of genes coding for axonemal proteins. Together, these findings suggest allele-specific and tissue-specific molecular requirements for cilia motor assembly that may affect disease phenotypes and clinical trajectory in motile ciliopathies.A mouse model of human DNAAF5 primary ciliary dyskinesia variants reveals gene dosage effects of mutant alleles and tissue-specific molecular requirements for cilia motor assembly.

Hundreds of different cell types emerge in the developing embryo, each of which must compartmentalize cell type specific biochemical processes in a crowded intracellular environment. To study cell type specific compartmentalization, we examined motile ciliated cells, which must assemble vast numbers of dynein motors to drive ciliary beating, as mutation of dyneins or their assembly factors causes motile ciliopathy. We show that dyneins, their assembly factors, and chaperones all concentrate together in Dynein Assembly Particles (DynAPs). These phase-separated organelles are specific to ciliated cells but share machinery with stress granules. Our data suggest that a common framework underlies ubiquitous and cell-type specific phase separated organelles and that one such organelle is defective in a human genetic disease.

Primary ciliary dyskinesia (PCD) is characterized by chronic airway disease, male infertility, and randomization of the left/right body axis, and is caused by defects of motile cilia and sperm flagella. We screened a cohort of affected individuals that lack an obvious TEM structural phenotype for pathogenic variants using whole exome capture and next generation sequencing. The population sampling probability (PSAP) algorithm identified one subject with a homozygous nonsense variant [(c.1762C>T) p.(Arg588*) exon 11] in the uncharacterized CFAP57 gene. In normal human nasal epithelial cells, CFAP57 localizes throughout the ciliary axoneme. Analysis of cells from the PCD patient shows a loss of CFAP57, reduced beat frequency, and an alteration in the ciliary waveform. Knockdown of CFAP57 in human tracheobronchial epithelial cells (hTECs) recapitulates these findings. Phylogenetic analysis showed that CFAP57 is conserved in organisms that assemble motile cilia, and CFAP57 is allelic with the BOP2 gene identified previously in Chlamydomonas. Two independent, insertional fap57 Chlamydomonas mutant strains show reduced swimming velocity and altered waveforms. Tandem mass spectroscopy showed that CFAP57 is missing, and the g inner dyneins (DHC7 and DHC3) and the d inner dynein (DHC2) are reduced. Our data demonstrate that the FAP57 protein is required for the asymmetric assembly of inner dyneins on only a subset of the microtubule doublets, and this asymmetry is essential for the generation of an effective axonemal waveform. Together, our data identifies mutations in CFAP57 as a cause of PCD with a specific defect in the inner dynein arm assembly process.