Interindividual clinical variability in the course of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection is vast. We report that at least 101 of 987 patients with life-threatening coronavirus disease 2019 (COVID-19) pneumonia had neutralizing immunoglobulin G (IgG) autoantibodies (auto-Abs) against interferon-ω (IFN-ω) (13 patients), against the 13 types of IFN-α (36), or against both (52) at the onset of critical disease; a few also had auto-Abs against the other three type I IFNs. The auto-Abs neutralize the ability of the corresponding type I IFNs to block SARS-CoV-2 infection in vitro. These auto-Abs were not found in 663 individuals with asymptomatic or mild SARS-CoV-2 infection and were present in only 4 of 1227 healthy individuals. Patients with auto-Abs were aged 25 to 87 years and 95 of the 101 were men. A B cell autoimmune phenocopy of inborn errors of type I IFN immunity accounts for life-threatening COVID-19 pneumonia in at least 2.6% of women and 12.5% of men.

The genetics underlying severe COVID-19 The immune system is complex and involves many genes, including those that encode cytokines known as interferons (IFNs). Individuals that lack specific IFNs can be more susceptible to infectious diseases. Furthermore, the autoantibody system dampens IFN response to prevent damage from pathogen-induced inflammation. Two studies now examine the likelihood that genetics affects the risk of severe coronavirus disease 2019 (COVID-19) through components of this system (see the Perspective by Beck and Aksentijevich). Q. Zhang et al. used a candidate gene approach and identified patients with severe COVID-19 who have mutations in genes involved in the regulation of type I and III IFN immunity. They found enrichment of these genes in patients and conclude that genetics may determine the clinical course of the infection. Bastard et al. identified individuals with high titers of neutralizing autoantibodies against type I IFN-α2 and IFN-ω in about 10% of patients with severe COVID-19 pneumonia. These autoantibodies were not found either in infected people who were asymptomatic or had milder phenotype or in healthy individuals. Together, these studies identify a means by which individuals at highest risk of life-threatening COVID-19 can be identified. Science , this issue p. eabd4570 , p. eabd4585 ; see also p. 404

Recurrent sinopulmonary and cutaneous viral infections with elevated serum levels of IgE are features of some variants of combined immunodeficiency. The genetic causes of these variants are unknown.

Trafficking from bedside to bench Typically in translational research, a discovery in cell or molecular biology is later exploited to improve patient care. Occasionally, information flows in the opposite direction. Lo et al. found that patients with an autoimmune disorder caused by deficiency of a protein called LRBA responded dramatically to the drug abatacept (see the Perspective by Sansom). Abatacept contains a segment of a potent inhibitory immune receptor, CTLA4. Experiments prompted by this observation revealed the relationship between the two proteins: LRBA controls the intracellular trafficking and degradation of CTLA4. This information may further improve patient care, because other clinically approved drugs have the desired mechanism of action with potentially fewer side effects. Science , this issue p. 436 ; see also p. 377

Abstract Type I interferon (IFN-I) neutralizing autoantibodies have been found in some critical COVID-19 patients; however, their prevalence and longitudinal dynamics across the disease severity scale, and functional effects on circulating leukocytes remain unknown. Here, in 284 COVID-19 patients, we found IFN-I autoantibodies in 19% of critical, 6% of severe and none of the moderate cases. Longitudinal profiling of over 600,000 peripheral blood mononuclear cells using multiplexed single-cell epitope and transcriptome sequencing from 54 COVID-19 patients, 15 non-COVID-19 patients and 11 non-hospitalized healthy controls, revealed a lack of IFN-I stimulated gene (ISG-I) response in myeloid cells from critical cases, including those producing anti-IFN-I autoantibodies. Moreover, surface protein analysis showed an inverse correlation of the inhibitory receptor LAIR-1 with ISG-I expression response early in the disease course. This aberrant ISG-I response in critical patients with and without IFN-I autoantibodies, supports a unifying model for disease pathogenesis involving ISG-I suppression via convergent mechanisms.

Abstract Several studies have analyzed antiviral immune pathways in late-stage severe COVID-19. However, the initial steps of SARS-CoV-2 antiviral immunity are poorly understood. Here, we have isolated primary SARS-CoV-2 viral strains, and studied their interaction with human plasmacytoid pre-dendritic cells (pDC), a key player in antiviral immunity. We show that pDC are not productively infected by SARS-CoV-2. However, they efficiently diversified into activated P1-, P2-, and P3-pDC effector subsets in response to viral stimulation. They expressed CD80, CD86, CCR7, and OX40 ligand at levels similar to influenza virus-induced activation. They rapidly produced high levels of interferon-α, interferon-λ1, IL-6, IP-10, and IL-8. All major aspects of SARS-CoV-2-induced pDC activation were inhibited by hydroxychloroquine. Mechanistically, SARS-CoV-2-induced pDC activation critically depended on IRAK4 and UNC93B1, as established using pDC from genetically deficient patients. Overall, our data indicate that human pDC are efficiently activated by SARS-CoV-2 particles and may thus contribute to type I IFN-dependent immunity against SARS-CoV-2 infection.

Abstract Four endemic human coronaviruses (HCoVs) are commonly associated with acute respiratory infection in humans. B cell responses to these “common cold” viruses remain incompletely understood. Here we report a comprehensive analysis of CoV-specific antibody repertoires in 231 children and 1168 adults using phage-immunoprecipitation sequencing. Seroprevalence of antibodies to endemic HCoVs ranged between ~4 and 27% depending on the species and cohort. We identified at least 136 novel linear B cell epitopes. Antibody repertoires against endemic HCoVs were qualitatively different between children and adults in that anti-HCoV IgG specificities more frequently found among children targeted functionally important and structurally conserved regions of the spike, nucleocapsid and matrix proteins. Moreover, antibody specificities targeting the highly conserved fusion peptide region and S2’ cleavage site of the spike protein were broadly cross-reactive with peptides of epidemic human and non-human coronaviruses. In contrast, an acidic tandem repeat in the N-terminal region of the Nsp3 subdomain of the HCoV-HKU1 polyprotein was the predominant target of antibody responses in adult donors. Our findings shed light on the dominant species-specific and pan-CoV target sites of human antibody responses to coronavirus infection, thereby providing important insights for the development of prophylactic or therapeutic monoclonal antibodies and vaccine design.

Abstract Rapid advances in next-generation sequencing (NGS) have facilitated ultralarge population and cohort studies that utilized whole-genome sequencing (WGS) to identify DNA variants that may impact gene function. Massive sequencing data require highly efficient bioinformatics tools to complete read alignment and variant calling as the fundamental analysis. Multiple software and hardware acceleration strategies have been developed to boost the analysis speed. This study comprehensively evaluated the germline variant calling of a GPU-based acceleration tool, BaseNumber, using WGS datasets from several sources, including gold-standard samples from the Genome in a Bottle (GIAB) project and the Golden Standard of China Genome (GSCG) project, resequenced GSCG samples, and 100 in-house samples from the China Deafness Genetics Consortium (CDGC) project. Sequencing data were analyzed on the GPU server using BaseNumber, the variant calling outputs of which were compared to the reference VCF or the results generated by the Burrows-Wheeler Aligner (BWA) + Genome Analysis Toolkit (GATK) pipeline on a generic CPU server. BaseNumber demonstrated high precision (99.32%) and recall (99.86%) rates in variant calls compared to the standard reference. The variant calling outputs of the BaseNumber and GATK pipelines were very similar, with a mean F1 of 99.69%. Additionally, BaseNumber took only 23 minutes on average to analyze a 48X WGS sample, which was 215.33 times shorter than the GATK workflow. The GPU-based BaseNumber provides a highly accurate and ultrafast variant calling capability, significantly improving the WGS analysis efficiency and facilitating time-sensitive tests, such as clinical WGS genetic diagnosis, and sheds light on the GPU-based acceleration of other omics data analyses.

Abstract American chestnut was once a foundation species of eastern North American forests, but was rendered functionally extinct in the early 20th century by an exotic fungal blight ( Cryphonectria parasitica ). Over the past 30 years, The American Chestnut Foundation (TACF) has pursued backcross breeding to generate hybrids that combine the timber-type form of American chestnut with the blight tolerance of Chinese chestnut. The backcross strategy has been implemented based on the hypothesis that blight tolerance is conferred by few major effect alleles. We tested this hypothesis by developing genomic prediction models for five presence/absence blight phenotypes of 1,230 BC 3 F 2 selection candidates and average canker severity of their BC 3 F 3 progeny. We also genotyped pure Chinese and American chestnut reference panels to estimate the proportion of BC 3 F 2 genomes inherited from parent species. We found that genomic prediction from a method that assumes an infinitesimal model of inheritance (HBLUP) has a similar predictive ability to a method that tends to perform well for traits controlled by major genes (Bayes C). Furthermore, the proportion of BC 3 F 2 trees’ genomes inherited from American chestnut was negatively correlated with the blight tolerance of BC 3 F 2 trees and their progeny. On average, selected BC 3 F 2 trees inherited 83% of their genome from American chestnut and have blight-tolerance that is intermediate between F 1 hybrids and American chestnut. Results suggest polygenic rather than major gene inheritance for blight tolerance. The blight-tolerance of restoration populations will be enhanced by advancing additional sources of blight-tolerance through fewer backcross generations and by potentially by breeding with transgenic blight-tolerant trees.

This research seeks to analyse the immunomodulatory impacts of adrenomedullin (ADM) on macrophages induced by bacterial lipopolysaccharide and to investigate the influence of macrophage-conditioned media from various stimulating factors on the biological activity of dental pulp stem cells (DPSCs) in vitro. The polarisation effect of ADM on macrophages was analysed through cell immunofluorescence staining and flow cytometry. Potential mechanisms were explored through transcriptomics and metabolomics. The impact of different macrophage-conditioned media on the biological activity of DPSCs was evaluated through western blotting, Realtime fluorescence quantitative, alkaline phosphatase activity assay, and eosin red staining. Each experiment was performed with 3 biological and 3 technical duplicate measurements. Statistical analysis was performed with t test and one-way ANOVA, and mathematical significance defined as P < .05. ADM can reverse polarisation of macrophages towards M2 phenotype by Lipopolysaccharide and the conditioned media of ADM-induced M2 polarised macrophages significantly enhances the proliferation and differentiation of DPSCs. The mechanism may involve the metabolic reprogramming of macrophages by ADM, specifically promoting the metabolic shift from glycolysis to mitochondrial oxidative phosphorylation in Lipopolysaccharide-induced macrophages. These results indicate that ADM is involved in suppressing inflammation and enhancing the proliferation and differentiation of DPSCs by reprogramming macrophage metabolism.