Abstract Influenza A viruses in swine have considerable genetic diversity and continue to pose a pandemic threat to humans due to a potential lack of population level immunity. Here we describe a pipeline to characterize and triage influenza viruses for their pandemic risk and examine the pandemic potential of two widespread swine origin viruses. Our analysis reveals that a panel of human sera collected from healthy adults in 2020 has no cross-reactive neutralizing antibodies against a α-H1 clade strain (α-swH1N2) but do against a γ-H1 clade strain. The α-swH1N2 virus replicates efficiently in human airway cultures and exhibits phenotypic signatures similar to the human H1N1 pandemic strain from 2009 (H1N1pdm09). Furthermore, α-swH1N2 is capable of efficient airborne transmission to both naïve ferrets and ferrets with prior seasonal influenza immunity. Ferrets with H1N1pdm09 pre-existing immunity show reduced α-swH1N2 viral shedding and less severe disease signs. Despite this, H1N1pdm09-immune ferrets that became infected via the air can still onward transmit α-swH1N2 with an efficiency of 50%. These results indicate that this α-swH1N2 strain has a higher pandemic potential, but a moderate level of impact since there is reduced replication fitness and pathology in animals with prior immunity.

Abstract Highly pathogenic avian influenza (HPAI) H5N1 of the hemagglutinin clade 2.3.4.4b was detected in the United States in late 2021 and continues to circulate in all four North American flyways to date. In addition to impacting poultry, these HPAI viruses caused mortality events in wild bird species and wild mammals. Transmission in multiple host species raises the concern for mammalian adaptation. On March 25, 2024, HPAI H5N1 clade 2.3.4.4b was confirmed in a dairy cow in Texas in response to a multi-state investigation into milk production losses. Over one hundred positive herds were rapidly identified in Texas and eleven other U.S. states. The case description included reduced feed intake and rumen motility in lactating cows, decreased milk production, and thick yellow milk. The diagnostic investigation revealed detections of viral RNA in milk and mammary tissue with alveolar epithelial degeneration and necrosis, and positive immunoreactivity of glandular epithelium by immunohistochemistry. A single transmission event, likely from avian species to dairy cattle, followed by limited local transmission preceded the onward lateral transmission of H5N1 clade 2.3.4.4b genotype B3.13. We sought to experimentally reproduce infection with genotype B3.13 in Holstein yearling heifers and lactating cows. The heifers were inoculated by an aerosol respiratory route and the cows by an intramammary route. Clinical disease was mild in the heifers, but infection was confirmed by virus detection, lesions, and seroconversion. Clinical disease in lactating cows included decreased rumen motility, changes to milk appearance, and production losses consistent with field reports of viral mastitis. Infection was confirmed by high levels of viral RNA detected in milk, virus isolation, lesions in mammary tissue, and seroconversion. This study provides the foundation to investigate additional routes of infection, transmission, and intervention strategies.

A bstract The neuraminidase (NA) and hemagglutinin (HA) of influenza A virus (IAV) are essential surface glycoproteins. In this study, the evolution of subtype N2 NA paired with H1 and H3 subtype HA in swine was evaluated to understand if genetic diversity of HA and NA were linked. Using time-scaled Bayesian phylodynamic analyses, the relationships of paired swine N2 with H1 or H3 from 2009 to 2018 were evaluated. These data demonstrated increased relative genetic diversity within the major N2 clades circulating in swine (N2.1998 between 2014-2017 and N2.2002 between 2010-2016). Relative genetic diversity of NA-HA pairs (e.g., N2.1998B/ H1.Delta1B) were correlated, suggesting intergene epistasis. Preferential pairing was observed among specific NA and HA genetic clades and this was associated with gene reassortment between cocirculating influenza A strains. Using the phylogenetic topology of inferred N2 trees, the expansion of genetic diversity in the NA gene was quantified and increases in diversity were observed subsequent to NA-HA reassortment events. The rate of evolution among NA-N2 clades and HA-H1 and HA-H3 clades were similar. The frequent regional movement of pigs and their influenza viruses is a possible explanation driving this pattern of drift, reassortment, and rapid evolution. Bayesian phylodynamic analyses demonstrated strong spatial patterns in N2 genetic diversity, and that frequent interstate movement of N2 clades homogenized diversity. The reassortment and evolution of NA and its influence on HA evolution may affect antigenic drift, impacting vaccine control programs and animal health.

Abstract During the last decade, endemic swine H1 influenza A viruses (IAV) from six different genetic clades of the hemagglutinin gene caused zoonotic infections in humans. The majority of zoonotic events with swine IAV were restricted to a single case with no subsequent transmission. However, repeated introduction of human-seasonal H1N1, continual reassortment between endemic swine IAV, and subsequent drift in the swine host resulted in highly diverse swine IAV with human-origin genes that may become a risk to the human population. To prepare for the potential of a future swine-origin IAV pandemic in humans, public health laboratories selected candidate vaccine viruses (CVV) for use as vaccine seed strains. To assess the pandemic risk of contemporary US swine H1N1 or H1N2 strains, we quantified the genetic diversity of swine H1 HA genes, and identified representative strains from each circulating clade. We then characterized the representative swine IAV against human seasonal vaccine and CVV strains using ferret antisera in hemagglutination inhibition assays (HI). HI assays revealed that 1A.3.3.2 (pdm) and 1B.2.1 (delta-2) demonstrated strong cross reactivity to human seasonal vaccines or CVVs. However, swine IAV from three clades that represent more than 50% of the detected swine IAVs in the USA showed significant reduction in cross-reactivity compared to the closest CVV virus: 1A.1.1.3 (alpha-deletion), 1A.3.3.3-clade 3 (gamma), and 1B.2.2.1 (delta-1a). Representative viruses from these three clades were further characterized in a pig-to-ferret transmission model and shown to exhibit variable transmission efficiency. Our data prioritize specific genotypes of swine H1N1 and H1N2 to further investigate in the risk they pose to the human population. Importance Influenza A virus (IAV) is endemic in both humans and pigs and there is occasional bidirectional transmission of viruses. The process of interspecies transmission introduces novel viruses that increases the viral diversity in each host, impacting viral ecology and challenging control efforts through vaccine programs. Swine-origin IAVs have the potential to cause human pandemics, and pandemic preparation efforts include the identification and generation of candidate vaccine viruses (CVV) derived from epidemiologically relevant swine IAV surface proteins. The CVVs are derived from swine IAV detected and isolated in humans, and are updated infrequently; consequently the efficacy of these vaccines against contemporary swine IAV is unclear given rapid turnover and change of diversity. In this report we perform a risk assessment of contemporary swine H1 IAVs, determine whether current CVVs cross-react, and illustrate how swine-origin IAV replicate, transmit, and cause disease in a swine-to-ferret model system. In doing so, we identify the swine IAV that have lost cross-reactivity to current pandemic preparedness vaccines and demonstrate the utility of swine-to-ferret transmission experiments to further inform risk assessment.

Abstract The first pandemic of the 21st century was caused by an H1N1 influenza A virus (IAV) introduced from pigs into humans, highlighting the importance of swine as reservoirs for pandemic viruses. Two major lineages of swine H1 circulate in North America: the 1A classical swine lineage (including the 2009 pandemic H1N1) and 1B human seasonal-like lineage. Here, we investigated the evolution of these H1 IAV lineages in North American swine and their potential pandemic risk. We assessed the antigenic distance between the HA of representative swine H1 and human seasonal vaccine strains (1978-2015) in hemagglutination inhibition (HI) assays using a panel of monovalent anti-sera raised in pigs. Antigenic cross-reactivity varied by strain but was associated with genetic distance. Generally, swine 1A lineage viruses that seeded the 2009 H1 pandemic were antigenically most similar to H1 pandemic vaccine strains, with the exception of viruses in the genetic clade 1A.1.1.3 that had a two-amino acid deletion mutation near the receptor-binding site, dramatically reducing antibody recognition. The swine 1B lineage strains, which arose from previously circulating (pre-2009 pandemic) human seasonal viruses, were more antigenically similar to pre-2009 human seasonal H1 vaccine viruses than post-2009 strains. Human population immunity was measured by cross-reactivity in HI assays to representative swine H1 strains. There was a broad range of titers against each swine strain that was not associated with age, sex, or location. However, there was almost no cross-reactivity in human sera to the 1A.1.1.3 and 1B.2.1 genetic clades of swine viruses, and the 1A.1.1.3 and 1B.2.1 clades were also the most antigenically distant from all human vaccine strains. Our data demonstrate that antigenic distances of representative swine strains from human vaccine strains represent a rational assessment of swine IAV for zoonotic risk research and pandemic preparedness prioritization. Importance Human H1 influenza A viruses (IAV) spread to pigs in North America, resulting in sustained circulation of two major groups of H1 viruses in swine. We quantified the genetic diversity of H1 in swine and measured antigenic phenotypes. We demonstrated that swine H1 lineages were significantly different from human vaccine strains and this antigenic dissimilarity increased over time as the viruses evolved in swine. Pandemic preparedness vaccine strains for human vaccines also demonstrated a loss in similarity with contemporary swine strains. Human sera revealed a range of responses to swine IAV, including two groups of viruses with little to no immunity. Surveillance and risk assessment of IAV diversity in pig populations are essential to detect strains with reduced immunity in humans, providing critical information for pandemic preparedness.

ABSTRACT Human seasonal H3 3C3a clade influenza A viruses (IAV) were detected in four U.S. pigs from commercial swine farms in Michigan, Illinois, and Virginia in 2019. To evaluate the relative risk of this spillover to the pig population, whole genome sequencing and phylogenetic characterization was conducted and revealed all eight viral gene segments were closely related to 2018-2019 H3N2 human seasonal IAV. Next, a series of in vitro viral kinetics, receptor binding, and antigenic characterization studies were performed using a representative A/swine/Virginia/A02478738/2018(H3N2) (SW/VA/19) isolate. Viral replication kinetic studies of SW/VA/19 demonstrated less efficient replication curves than all ten swine H3N2 viruses tested, but higher than three human H3N2 strains. Serial passaging experiments of SW/VA/19 in swine cells did not increase virus replication, but changes at HA amino acid positions 9 and 159 occurred. In swine transmission studies, wild type SW/VA/19 was shed in nasal secretions and transmitted to all indirect contact pigs, whereas the human seasonal strain A/Switzerland/9715293/2013(H3N2) from the same 3C3a clade failed to transmit. SW/VA/19 induced minimal macroscopic and microscopic lung lesions. Collectively these findings demonstrate that these human seasonal H3N2 3C3a-like viruses did not require reassortment with endemic swine IAV gene segments, impacting virus shedding and transmission in pigs. Limited detections in the U.S. pig population in the subsequent period of time suggests a yet unknown restriction factor likely limiting the spread of these viruses in the U.S. pig population. IMPORTANCE Interspecies human-to-swine IAV transmission occurs globally and contributes to increased IAV diversity in pig populations. We present data that a swine isolate from a 2018-2019 human-to-swine transmission event was shed for multiple days in challenged and contact pigs. By characterizing this introduction through bioinformatic, molecular, and animal experimental approaches, these findings better inform animal health practices and in vaccine decision-making. Since wholly human seasonal H3N2 viruses in the U.S. were not previously identified as being transmissible in pigs (i.e. reverse zoonosis), these findings reveal the interspecies barriers for transmission to pigs may not require significant changes to all human seasonal H3N2.

H5 influenza is a potential pandemic threat. Previous studies have identified molecular phenotypes of the viral hemagglutinin (HA) protein that contribute to pandemic risk, including cell entry, receptor preference, HA stability, and reduced neutralization by polyclonal sera. Here we use pseudovirus deep mutational scanning to measure how all mutations to a clade 2.3.4.4b H5 HA affect each phenotype. We identify mutations that allow HA to better bind a2-6-linked sialic acids, and show that some viruses already carry mutations that stabilize HA. We also identify recent viral strains with reduced neutralization to sera elicited by candidate vaccine virus. Overall, the systematic nature of deep mutational scanning combined with the safety of pseudoviruses enables comprehensive characterization of mutations to inform surveillance of H5 influenza.

Abstract The 2009 H1N1 pandemic (pdm09) lineage of influenza A virus (IAV) crosses interspecies barriers with frequent human-to-swine spillovers each year. These spillovers reassort and drift within swine populations, leading to genetically and antigenically novel IAV that represent a zoonotic threat. We quantified interspecies transmission of the pdm09 lineage, persistence in swine, and identified how evolution in swine impacted zoonotic risk. Human and swine pdm09 case counts between 2010 and 2020 were correlated and human pdm09 burden and circulation directly impacted the detection of pdm09 in pigs. However, there was a relative absence of pdm09 circulation in humans during the 2020-21 season that was not reflected in swine. During the 2020-21 season, most swine pdm09 detections originated from human-to-swine spillovers from the 2018-19 and 2019-20 seasons that persisted in swine. We identified contemporary swine pdm09 representatives of each persistent spillover and quantified cross-reactivity between human seasonal H1 vaccine strains and the swine strains using a panel of monovalent ferret antisera in hemagglutination inhibition (HI) assays. The swine pdm09s had variable antigenic reactivity to vaccine antisera, but each swine pdm09 clade exhibited significant reduction in cross-reactivity to one or more of the human seasonal vaccine strains. Further supporting zoonotic risk, we showed phylogenetic evidence for 17 swine-to-human transmission events of pdm09 from 2010 to 2021, 11 of which were not previously classified as variants, with each of the zoonotic cases associated with persistent circulation of pdm09 in pigs. These data demonstrate that reverse-zoonoses and evolution of pdm09 in swine results in viruses that are capable of zoonotic transmission and represent a potential pandemic threat. Author Summary The diversity and evolution of influenza A virus (IAV) in pigs is linked to the emergence of IAV with pandemic potential. Human-to-swine transmission of the 2009 H1N1 pandemic (pdm09) IAV lineage repeatedly occurred across the past decade and has increased genetic diversity in pigs: sporadic swine-to-human cases are associated with these viruses. We measured the frequency of human-to-swine transmission of the H1N1 pandemic IAV lineage between 2009 and 2021 and determined how this affected the diversity of IAV in swine and zoonotic risk. We detected 371 separate human-to-swine spillovers, with the frequency of interspecies transmission increasing when the burden of IAV was highest in the human population. Most spillovers were single events without sustained transmission, but a small subset resulted in the emergence, persistence, and cocirculation of different pdm09 genetic clades in US pigs. Each of the pdm09 representative of different persistent spillovers was genetically and antigenically different from human seasonal vaccine strains. The persistence of pdm09 within pigs resulted in at least five recent swine-to-human transmission events. These data suggest that controlling IAV infection in humans working with swine can minimize spillover into pigs, reduce resulting genetic diversity of IAV in pigs, and proactively reduce the potential for swine-to-human transmission of IAV with pandemic potential.

Abstract The use of next-generation sequencing technology has enabled phylogenetic studies with hundreds of thousands of taxa. Such large-scale phylogenies have become a critical component in genomic epidemiology in pathogens such as SARS-CoV-2 and influenza A virus. However, detailed phenotypic characterization of pathogens or generating a computationally tractable dataset for detailed phylogenetic analyses requires bias free subsampling of taxa. To address this need, we propose parnas , an objective and flexible algorithm to sample and select taxa that best represent observed diversity by solving a generalized k-medoids problem on a phylogenetic tree. parnas solves this problem efficiently and exactly by novel optimizations and adapting algorithms from operations research. For more nuanced selections, taxa can be weighted with metadata or genetic sequence parameters, and the pool of potential representatives can be user-constrained. Motivated by influenza A virus genomic surveillance and vaccine design, parnas can be applied to identify representative taxa that optimally cover the diversity in a phylogeny within a specified distance radius. We demonstrated that parnas is more efficient and flexible than current approaches, and applied it to select representative influenza A virus in swine genes derived from over 5 years of genomic surveillance data. Our objective selection of 4 to 6 strains selected every two years from the 16 distinct genetic clades were sufficient to cover 80% of diversity circulating in US swine. We suggest that this method, through the objective selection of representatives in a phylogeny, provides criteria for rational multivalent vaccine design and for quantifying diversity. PARNAS is available at https://github.com/flu-crew/parnas .

ABSTRACT Influenza A viruses (IAV) of the H1N1 classical swine lineage became endemic in North American swine following the 1918 pandemic. Additional human-to-swine transmission events after 1918, and a spillover of H1 viruses from wild birds in Europe, potentiated a rapid increase in genomic diversity via reassortment between introductions and the endemic classical swine lineage. To determine mechanisms affecting reassortment and evolution, we conducted a phylogenetic analysis of N1 and paired HA swine IAV genes in North America between 1930 and 2020. We described fourteen N1 clades within the N1 Eurasian avian lineage (including the N1 pandemic clade) and the N1 classical swine lineage. Seven N1 genetic clades had evidence for contemporary circulation. To assess antigenic drift associated with N1 genetic diversity, we generated a panel of representative swine N1 antisera and quantified the antigenic distance between wild-type viruses using enzyme-linked lectin assays and antigenic cartography. Within the N1 lineage, antigenic similarity was variable and reflected shared evolutionary history. Sustained circulation and evolution of N1 genes in swine had resulted in significant antigenic distance between the N1 pandemic clade and classical swine lineage. We also observed a significant increase in the rate of evolution in the N1 pandemic clade relative to the classical lineage. Between 2010 and 2020, N1 clades and N1-HA pairings fluctuated in detection frequency across North America, with hotspots of diversity generally appearing and disappearing within two years. We also identified frequent N1-HA reassortment events (n = 36), which were rarely sustained (n = 6) and sometimes also concomitant with the emergence of new N1 genetic clades (n = 3). These data form a baseline from which we can identify N1 clades that expand in range or genetic diversity that may impact viral phenotypes or vaccine immunity and subsequently the health of North American swine.