Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection is associated with various neurological complications. SARS-CoV-2 infection induces neuroinflammation in the central nervous system (CNS), whereat the olfactory bulb seems to be involved most frequently. Here we show differences in the neuroinvasiveness and neurovirulence among SARS-CoV-2 variants in the hamster model five days post inoculation. Replication in the olfactory mucosa was observed in all hamsters, but most prominent in D614 inoculated hamsters. We observed neuroinvasion into the CNS via the olfactory nerve in D614G-, but not Delta (B.1.617.2)- or Omicron BA.1 (B.1.1.529) inoculated hamsters. Neuroinvasion was associated with neuroinflammation in the olfactory bulb of hamsters inoculated with D614G but hardly in Delta or Omicron BA.1. Altogether, this indicates that there are differences in the neuroinvasive and neurovirulent potential among SARS-CoV-2 variants in the acute phase of the infection in the hamster model.

Abstract Sensory driven activity during early life is critical for setting up the proper connectivity of the sensory cortices. Here we ask if social play behavior, a particular form of social interaction that is highly abundant during post-weaning development, is equally important for setting up connections in the developing prefrontal cortex (PFC). Young rats were deprived from social play with peers for 3 weeks during the period in life when social play behavior normally peaks (P21-42; SPD rats), followed by resocialization until adulthood. We recorded synaptic currents in L5 cells in slices from medial PFC of adult SPD and control rats and observed that inhibitory synaptic currents were reduced in SPD slices, while excitatory synaptic currents were unaffected. This was associated with a decrease in perisomatic inhibitory synapses from parvalbumin-positive GABAergic cells. In parallel experiments, adult SPD rats achieved more reversals in a probabilistic reversal learning task (PRL), which depends on the integrity of the PFC. They appeared to use a different cognitive strategy than controls. One hour of intense play during SPD did not prevent the decrease in inhibitory synaptic inputs and had only a limited effect on behavioral outcomes in the PRL. Our data demonstrate the importance of unrestricted social play for the development of inhibitory synapses in the PFC and cognitive skills in adulthood.

Abstract Mpox, formerly known as monkeypox, is a zoonotic illness of international concern that can lead to severe disease including neurological sequelae. However, it remains unclear what the neurotropism of monkeypox virus (MPXV) is and how MPXV infection leads to neurological deficits. Here, we determined the neurotropism and neurovirulence of MPXV using human pluripotent stem cell- (hPSC)-derived neural stem cells, astrocytes, cortical neurons, and microglia together with ex vivo human brain tissue. We found that MPXV infects and replicates more efficiently in astrocytes and microglia compared to cortical neurons, which unlike glial cells showed activation of distinct antiviral programs that may confer differential susceptibility to MPXV. Ex vivo infection of human brain tissue confirmed the susceptibility of astrocytes to MPXV infection, which also had the strongest disease-associated changes. Molecular pathway analyses revealed induction of cellular senescence and a senescence-associated secretory phenotype upon MPXV infection in astrocytes. Finally, we demonstrated that antiviral treatment using tecovirimat inhibits MPXV replication and prevents virus-induced senescence in hPSC-derived astrocytes. Altogether, leveraging hPSC-derived brain cells, we reveal MPXV-induced cell type-specific effects at the molecular and cellular level, which provide important insights into the neuropathogenesis of MPXV infection.

Abstract The enterovirus genus encompasses many clinically important human pathogens such as poliovirus, coxsackieviruses, echoviruses, numbered enteroviruses and rhinoviruses. These viruses are the etiological agents of several human diseases, including hand-foot-and-mouth disease, neonatal sepsis, encephalitis, meningitis, paralysis and respiratory infections. There is an unmet need for antivirals to treat these diseases. The non-structural protein 2C is a AAA+ helicase and plays a key role in viral replication. As such, it is an attractive target for antiviral drug development. Several repurposing screens with FDA-approved drugs have identified 2C-targeting compounds such as fluoxetine and dibucaine, but the molecular basis of 2C inhibition has remained enigmatic. Here we present the 1.5 Å resolution crystal structure of the soluble fragment of coxsackievirus B3 2C protein in complex with (S)-fluoxetine (SFX), which reveals a conserved, hydrophobic drug-binding pocket which is distal to the ATP binding site. To decipher the molecular mechanism of inhibition by fluoxetine and other 2C-targeting compounds, we engineered a soluble, hexameric and ATPase competent 2C protein. Using this system, we show that SFX, dibucaine, HBB and guanidine hydrochloride inhibit 2C ATPase activity in a dose-dependent manner. Moreover, using cryo-EM analysis, we demonstrate that SFX and dibucaine lock 2C in a defined hexameric state, rationalizing their mode of inhibition and allowing us to generate the first reconstruction of the oligomeric complex. Taken together, these results provide important structural and mechanistic insights into 2C inhibition and provide a robust engineering strategy which can be used for structural, functional and drug-screening analysis of 2C proteins from current or future enteroviruses.

Abstract Morbidity and mortality from influenza are associated with high levels of systemic inflammation. Endothelial cells have been shown to play a key role in this systemic inflammatory response during severe influenza A virus (IAV) infections, despite the fact that these are rarely infected in humans. However, how endothelial cells contribute to these systemic inflammatory responses is unclear. To investigate this, we developed a transwell-system in which airway organoid-derived differentiated human lung epithelial cells at the apical side were co-cultured with primary human lung microvascular endothelial cells (LMEC) at the basolateral side. We compared the susceptibility of endothelial cells to pandemic H1N1 virus isolated in 2009 and seasonal H1N1 and H3N2 virus isolated in 2019, and assessed the associated immune responses. Despite the detection of IAV nucleoprotein in LMEC monocultures, there was no evidence for productive infection. In epithelial-endothelial co-cultures, abundant IAV infection of epithelial cells resulted in the breakdown of the epithelial barrier, but infection of LMECs was rarely detected. Furthermore, we observed a significantly higher secretion of pro-inflammatory cytokines in LMECs when co-cultured with IAV-infected epithelial cells, compared to LMEC monocultures exposed to IAV. Taken together, our data show that endothelial cells are abortively infected by IAV, but can fuel the inflammatory response. As endothelial cells are a prominent cell type in the lung, it is possible that they play an important role in the systemic inflammatory response during IAV infections.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2) infection is associated with a wide variety of neurological complications. Even though SARS-CoV-2 is rarely detected in the central nervous system (CNS) or cerebrospinal fluid, evidence is accumulating that SARS-CoV-2 might enter the CNS via the olfactory nerve. However, what happens after SARS-CoV-2 enters the CNS is poorly understood. Therefore, we investigated the replication kinetics, cell tropism, and associated immune responses of SARS-CoV-2 infection in different types of neural cultures derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs). SARS-CoV-2 was compared to the neurotropic and highly pathogenic H5N1 influenza A virus. SARS-CoV-2 infected a minority of individual mature neurons, without subsequent virus replication and spread, despite ACE2, TMPRSS2 and NPR1 expression in all cultures. However, this sparse infection did result in the production of type-III-interferons and IL-8. In contrast, H5N1 virus replicated and spread very efficiently in all cell types in all cultures. Taken together, our findings support the hypothesis that neurological complications might result from local immune responses triggered by virus invasion, rather than abundant SARS-CoV-2 replication in the CNS.