Summary

 The mammalian liver possesses a remarkable regenerative ability. Two modes of damage response have been described: (1) The "oval cell" response emanates from the biliary tree when all hepatocytes are affected by chronic liver disease. (2) A massive, proliferative response of mature hepatocytes occurs upon acute liver damage such as partial hepatectomy (PHx). While the oval cell response has been captured in vitro by growing organoids from cholangiocytes, the hepatocyte proliferative response has not been recapitulated in culture. Here, we describe the establishment of a long-term 3D organoid culture system for mouse and human primary hepatocytes. Organoids can be established from single hepatocytes and grown for multiple months, while retaining key morphological, functional and gene expression features. Transcriptional profiles of the organoids resemble those of proliferating hepatocytes after PHx. Human hepatocyte organoids proliferate extensively after engraftment into mice and thus recapitulate the proliferative damage-response of hepatocytes.

Stem cells are highly resistant to viral infection compared to their differentiated progeny; however, the mechanism is mysterious. Here, we analyzed gene expression in mammalian stem cells and cells at various stages of differentiation. We find that, conserved across species, stem cells express a subset of genes previously classified as interferon (IFN) stimulated genes (ISGs) but that expression is intrinsic, as stem cells are refractory to interferon. This intrinsic ISG expression varies in a cell-type-specific manner, and many ISGs decrease upon differentiation, at which time cells become IFN responsive, allowing induction of a broad spectrum of ISGs by IFN signaling. Importantly, we show that intrinsically expressed ISGs protect stem cells against viral infection. We demonstrate the in vivo importance of intrinsic ISG expression for protecting stem cells and their differentiation potential during viral infection. These findings have intriguing implications for understanding stem cell biology and the evolution of pathogen resistance.

Pathogen encounter results in long-lasting epigenetic imprinting that shapes diseases caused by heterologous pathogens. The breadth of this innate immune memory is of particular interest in the context of respiratory pathogens with increased pandemic potential and wide-ranging impact on global health. Here, we investigated epigenetic imprinting across cell lineages in a disease relevant murine model of SARS-CoV-2 recovery. Past SARS-CoV-2 infection resulted in increased chromatin accessibility of type I interferon (IFN-I) related transcription factors in airway-resident macrophages. Mechanistically, establishment of this innate immune memory required viral pattern recognition and canonical IFN-I signaling and augmented secondary antiviral responses. Past SARS-CoV-2 infection ameliorated disease caused by the heterologous respiratory pathogen influenza A virus. Insights into innate immune memory and how it affects subsequent infections with heterologous pathogens to influence disease pathology could facilitate the development of broadly effective therapeutic strategies.

ABSTRACT Advanced non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) is a rapidly emerging global health problem associated with pre-disposing genetic polymorphisms, most strikingly an isoleucine to methionine substitution in patatin-like phospholipase domain-containing protein 3 (PNPLA3-I148M). Here, we study how human hepatocytes with PNPLA3 148I and 148M variants engrafted in the livers of chimeric mice respond to a hypercaloric Western-style diet. As early as 4 weeks, mice developed dyslipidemia, impaired glucose tolerance, and steatohepatitis selectively in the human graft, followed by pericellular fibrosis after 8 weeks of hypercaloric feeding. The PNPLA3 148M variant, either from a homozygous 148M human donor or overexpressed in a homozygous 148I donor background, caused widespread microvesicular steatosis and even more severe steatohepatitis. We conclude that PNPLA3 148M in human hepatocytes exacerbates NAFLD. These models will facilitate mechanistic studies into human genetic variants associated with advanced fatty liver diseases.

Hepatitis B virus (HBV) chronically infects over 250 million people worldwide, increasing their risk of liver cirrhosis and hepatocellular carcinoma. There is a vaccine to prevent new infections, but no efficient cure for chronic infection. New insights into HBV biology are needed to improve cure rates for this widespread devastating disease. We describe a method to initiate replication of HBV, a DNA virus, using synthetic RNA. This approach has several advantages over existing systems: it eliminates contaminating background signal from input virus or plasmid DNA and can be easily adapted to multiple genotypes and mutants. Further, it can be applied to identify anti-HBV compounds, measure anti-HBV drug efficiency, study virus evolution, and, as we demonstrate, it can be uniquely applied to predict antiviral drug resistance.

Although there is no effective cure for chronic hepatitis B virus (HBV) infection, antibodies are protective and constitute clinical correlates of recovery from infection. To examine the human neutralizing antibody response to HBV in elite neutralizers we screened 144 individuals. The top individuals produced shared clones of broadly neutralizing antibodies (bNAbs) that targeted 3 non-overlapping epitopes on the HBV S antigen (HBsAg). Single bNAbs protected humanized mice against infection, but selected for resistance mutations in mice with established infection. In contrast, infection was controlled by a combination of bNAbs targeting non-overlapping epitopes with complementary sensitivity to mutations that commonly emerge during human infection. The co-crystal structure of one of the bNAbs with a peptide epitope containing residues frequently mutated in human immune escape variants revealed a loop anchored by oppositely charged residues. The structure provides a molecular explanation for why immunotherapy for HBV infection may require combinations of complementary bNAbs.