The December 2019 outbreak of a novel respiratory virus, SARS-CoV-2, has become an ongoing global pandemic due in part to the challenge of identifying symptomatic, asymptomatic, and pre-symptomatic carriers of the virus. CRISPR diagnostics can augment gold-standard PCR-based testing if they can be made rapid, portable, and accurate. Here, we report the development of an amplification-free CRISPR-Cas13a assay for direct detection of SARS-CoV-2 from nasal swab RNA that can be read with a mobile phone microscope. The assay achieved ∼100 copies/μL sensitivity in under 30 min of measurement time and accurately detected pre-extracted RNA from a set of positive clinical samples in under 5 min. We combined crRNAs targeting SARS-CoV-2 RNA to improve sensitivity and specificity and directly quantified viral load using enzyme kinetics. Integrated with a reader device based on a mobile phone, this assay has the potential to enable rapid, low-cost, point-of-care screening for SARS-CoV-2.

The Coronaviridae are a family of viruses that cause disease in humans ranging from mild respiratory infection to potentially lethal acute respiratory distress syndrome. Finding host factors common to multiple coronaviruses could facilitate the development of therapies to combat current and future coronavirus pandemics. Here, we conducted genome-wide CRISPR screens in cells infected by SARS-CoV-2 as well as two seasonally circulating common cold coronaviruses, OC43 and 229E. This approach correctly identified the distinct viral entry factors ACE2 (for SARS-CoV-2), aminopeptidase N (for 229E), and glycosaminoglycans (for OC43). Additionally, we identified phosphatidylinositol phosphate biosynthesis and cholesterol homeostasis as critical host pathways supporting infection by all three coronaviruses. By contrast, the lysosomal protein TMEM106B appeared unique to SARS-CoV-2 infection. Pharmacological inhibition of phosphatidylinositol kinases and cholesterol homeostasis reduced replication of all three coronaviruses. These findings offer important insights for the understanding of the coronavirus life cycle and the development of host-directed therapies.

SARS coronavirus-2 (SARS-CoV-2) is causing a global pandemic with large variation in COVID-19 disease spectrum. SARS-CoV-2 infection requires host receptor ACE2 on lung epithelium, but epithelial underpinnings of variation are largely unknown. We capitalized on comprehensive organoid assays to report remarkable variation in SARS-CoV-2 infection rates of lung organoids from different subjects. Tropism is highest for TUBA- and MUC5AC-positive organoid cells, but levels of TUBA-, MUC5A-, or ACE2- positive cells do not predict infection rate. We identify surface molecule Tetraspanin 8 (TSPAN8) as novel mediator of SARS-CoV-2 infection, which is not downregulated by this specific virus. TSPAN8 levels, prior to infection, strongly correlate with infection rate and TSPAN8-blocking antibodies diminish SARS-CoV-2 infection. We propose TSPAN8 as novel functional biomarker and potential therapeutic target for COVID-19.

Abstract Pathogens often secrete proteins or nucleic acids that mimic the structure and/or function of molecules expressed in their hosts. Molecular mimicry empowers pathogens to subvert critical host processes and establish infection. We report that the intracellular bacterium Legionella pneumophila secretes the toxin SidI (substrate of icm/dot transporter I), which possesses a transfer RNA (tRNA)-like shape and functions as a mannosyl transferase. The 3.1 Å cryo-EM structure of SidI reveals an N-terminal domain that exhibits a characteristic ‘inverted L-shape’ and charge distribution that is present in two other known protein mimics of tRNAs, the bacterial elongation factor EF-G and the mammalian release factor eRF1. In addition, we show that SidI’s C-terminal domain adopts a glycosyl transferase B fold similar to a mannosyl transferase. This molecular coupling of the protein’s fold and enzymatic function allows SidI to bind and glycosylate components of the host translation apparatus, including the ribosome, resulting in a robust block of protein synthesis that is comparable in potency to ricin, one of the most powerful toxins known. Additionally, we find that translational pausing activated by SidI elicits a stress response signature reminiscent of the ribotoxic stress response that is activated by elongation inhibitors that induce ribosome collisions. SidI-mediated effects on the ribosome activate the stress kinases ZAKα and p38, which in turn drive an accumulation of the protein activating transcription factor 3 (ATF3). Intriguingly, ATF3 escapes the translation block imposed by SidI, translocates to the nucleus, and orchestrates the transcription of stress-inducible genes that promote cell death. Thus, using Legionella and its effectors as tools, we have unravelled the role of a ribosome-to-nuclear signalling pathway that regulates cell fate.

Abstract As SARS-CoV-2 continues to spread worldwide, tractable primary airway cell models that accurately recapitulate the cell-intrinsic response to arising viral variants are needed. Here we describe an adult stem cell-derived human airway organoid model overexpressing the ACE2 receptor that supports robust viral replication while maintaining 3D architecture and cellular diversity of the airway epithelium. ACE2-OE organoids were infected with SARS-CoV-2 variants and subjected to single-cell RNA-sequencing. NF-κB inhibitor alpha was consistently upregulated in infected epithelial cells, and its mRNA expression positively correlated with infection levels. Confocal microscopy showed more IκBα expression in infected than bystander cells, but found concurrent nuclear translocation of NF-κB that IκBα usually prevents. Overexpressing a nondegradable IκBα mutant reduced NF-κB translocation and increased viral infection. These data demonstrate the functionality of ACE2-OE organoids in SARS-CoV-2 research and identify an incomplete NF-κB feedback loop as a rheostat of viral infection that may promote inflammation and severe disease.

Abstract Lineage-specific genes (LSGs) have long been postulated to play roles in the establishment of genetic barriers to intercrossing and speciation. However, there is a lack of working hypotheses as to how they might play that role. In the genome of Neurospora crassa , most of the 670 Neurospora LSGs that are aggregated adjacent to the telomeres are clustered with 61% of the HET-domain genes, which regulate self-recognition and define vegetative incompatibility groups. Among the 342 LSGs that are dynamically expressed during both asexual and sexual phases, 64% were detectable on unusual carbon sources such as furfural and HMF—wildfire-produced chemicals that are a strong inducer of sexual development. Expression of a significant portion of the LSGs was sensitive to light and temperature, factors that regulate the switch from asexual to sexual reproduction. Furthermore, expression of the LSGs was significantly affected in the knockouts of adv-1 and pp-1 that regulate hyphal communication, and expression of more than one quarter of the LSGs was affected by perturbation of the mating locus. Accordingly, we propose a gene-by-environment interaction model encouraging further investigation of the roles of LSGs and HET-domain genes in speciation in Neurospora . This gene-by-environment interaction model emphasizes the roles of the LSGs in response to genetic and environmental factors, leading to the regulation of the switch from the asexual growth and fusion, such that vegetative incompatibility governed by allorecognition promotes allelic homogeneity, sexual reproduction, and outbreeding, whereas VI repression and meiotic recombination promotes allelic polymorphism.

Abstract In the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) pandemic, considerable focus has been placed on a model of viral entry into host epithelial populations, with a separate focus upon the responding immune system dysfunction that exacerbates or causes disease. We developed a precision-cut lung slice model to investigate very early host-viral pathogenesis and found that SARS-CoV-2 had a rapid and specific tropism for myeloid populations in the human lung. Infection of alveolar macrophages was partially dependent upon their expression of ACE2, and the infections were productive for amplifying virus, both findings which were in contrast with their neutralization of another pandemic virus, Influenza A virus (IAV). Compared to IAV, SARS-CoV-2 was extremely poor at inducing interferon-stimulated genes in infected myeloid cells, providing a window of opportunity for modest titers to amplify within these cells. Endotracheal aspirate samples from humans with the acute respiratory distress syndrome (ARDS) from COVID-19 confirmed the lung slice findings, revealing a persistent myeloid depot. In the early phase of SARS-CoV-2 infection, myeloid cells may provide a safe harbor for the virus with minimal immune stimulatory cues being generated, resulting in effective viral colonization and quenching of the immune system.

Abstract As SARS-CoV-2 continues to spread worldwide, tractable primary airway cell models that recapitulate the cell-intrinsic response to arising viral variants are needed. Here we describe an adult stem cell-derived human airway organoid model overexpressing the ACE2 receptor (ACE2-OE) that supports robust viral replication while maintaining 3D architecture and cellular diversity of the airway epithelium. ACE2-OE organoids were infected with SARS-CoV-2 variants and subjected to single-cell RNA-sequencing. Interferon-lambda was upregulated in cells with low-level infection while the NF-kB inhibitor alpha gene (encoding IkBa) was consistently upregulated in infected cells, and its expression positively correlated with infection levels. Confocal microscopy showed more IkBa expression in infected than bystander cells, but found concurrent nuclear translocation of NF-kB that IkBa usually prevents. Overexpressing a nondegradable IkBa mutant reduced NF-kB translocation and increased viral infection. These data demonstrate the functionality of ACE2-OE organoids in SARS-CoV-2 research and underscore that the strength of the NF-kB feedback loop in infected cells controls viral replication.

Abstract Histoplasma capsulatum , a dimorphic fungal pathogen, is the most common cause of fungal respiratory infections in immunocompetent hosts. Histoplasma is endemic in the Ohio and Mississippi River Valleys in the United States and also distributed worldwide. Previous studies revealed at least eight clades, each specific to a geographic location: North American classes 1 and 2 (NAm 1 and NAm 2), Latin American groups A and B (LAm A and LAm B), Eurasian, Netherlands, Australian and African, and an additional distinct lineage (H81) comprised of Panamanian isolates. Previously assembled Histoplasma genomes are highly fragmented, with the highly repetitive G217B (NAm 2) strain, which has been used for most whole genome-scale transcriptome studies, assembled into over 250 contigs. In this study, we set out to fully assemble the repeat regions and characterize the large-scale genome architecture of Histoplasma species. We re-sequenced five Histoplasma strains (WU24 (NAm 1), G217B (NAm 2), H88 (African), G186AR (Panama), and G184AR (Panama)) using Oxford Nanopore Technologies long-read sequencing technology. Here we report chromosomal-level assemblies for all five strains, which exhibit extensive synteny among the geographically distant Histoplasma isolates. The new assemblies revealed that RYP2 , a major regulator of morphology and virulence, is duplicated in G186AR. In addition, we mapped previously generated transcriptome datasets onto the newly assembled chromosomes. Our analyses revealed that the expression of transposons and transposon-embedded genes are upregulated in yeast phase compared to mycelial phase in G217B and H88 strains. This study provides an important resource for fungal researchers and further highlights the importance of chromosomal-level assemblies in analyzing high-throughput datasets. Importance Histoplasma species are dimorphic fungi causing significant morbidity and mortality worldwide. These fungi grow as mold in the soil and as budding yeast within the human host. Histoplasma can be isolated from soil in diverse regions, including North America, South America, Africa and Europe. Phylogenetically distinct species of Histoplasma have been isolated and sequenced. However, for the commonly used strains, genome assemblies have been fragmented, leading to underutilization of genome-scale data. This study provides chromosome-level assemblies of the commonly used Histoplasma strains using long-read sequencing technology. Comparative analysis of these genomes shows largely conserved gene order within the chromosomes. Mapping existing transcriptome data on these new assemblies reveals clustering of transcriptionally co-regulated genes. Results of this study highlight the importance of obtaining chromosome-level assemblies in understanding the biology of human fungal pathogens.