Determining the taxonomy and relative abundance of microorganisms in metagenomic data is a foundational problem in microbial ecology. To address the limitations of existing approaches, we developed ‘SingleM’, which estimates community composition using conserved regions within universal marker genes. SingleM accurately profiles complex communities of known microbial species, and is the only tool that detects species without genomic representation, even those representing novel phyla. Given SingleM’s computational efficiency, we applied it to 248,559 publicly available metagenomes and show that the vast majority of samples from marine, freshwater, sediment and soil environments are dominated by novel species lacking genomic representation (median relative abundance 75.0%). SingleM also provides a way to identify metagenomes for the recovery of novel metagenome-assembled genomes from lineages of interest, and can incorporate user-recovered genomes into its reference database to improve profiling resolution. Quantifying the full diversity of Bacteria and Archaea in metagenomic data shows that microbial genome databases are far from saturated.

ABSTRACT Human cytomegalovirus (HCMV) actively manipulates cellular signaling pathways to benefit viral replication. Phosphatidyl-inositol 3-kinase (PI3K)/Akt signaling is an important negative regulator of HCMV replication, and during lytic infection the virus utilizes pUL38 to limit Akt phosphorylation and activation. During latency, PI3K/Akt signaling also limits virus replication, but how this is overcome at the time of reactivation is unknown. Virally encoded microRNAs (miRNAs) are a key component of the virus arsenal used to alter signaling during latency and reactivation. In the present study we show that three HCMV miRNAs (miR-UL36, miR-UL112 and miR-UL148D) downregulate Akt expression and attenuate downstream signaling, resulting in the activation of FOXO3a and enhanced internal promoter-driven IE transcription. A virus lacking expression of all three miRNAs is unable to reactivate from latency both in CD34 + hematopoietic progenitor cells and in a humanized mouse model of HCMV infection, however downregulating Akt restores the ability of the mutant virus to replicate. These findings highlight the negative role Akt signaling plays in HCMV replication in lytic and latent infection and how the virus has evolved miRNA-mediated countermeasures to promote successful reactivation. AUTHOR SUMMARY Human cytomegalovirus (HCMV) infection results in lifelong persistence of the virus through the establishment of latency, and viral reactivation is a significant cause of morbidity and mortality in solid organ and stem cell transplant patients. HCMV latency is established in CD34 + hematopoietic progenitor cells (HPCs) where the virus manipulates cell signaling pathways to maintain the viral genome and remain poised to reinitiate gene expression under the appropriate conditions, although the molecular mechanisms surrounding these processes are poorly understood. HCMV encodes microRNAs (miRNAs) that modulate expression of hundreds of cellular and viral genes and play important roles in regulating signaling in HPCs. In this study, we show that HCMV miR-UL36, miR-UL112, and miR-UL148D coordinately inhibit Akt expression, activation, and downstream signaling through nonconventional mechanisms. A mutant lacking these miRNAs is unable to reactivate from latency, yet complementing Akt regulation restores the ability of the mutant virus to reactivate, pointing to an important role for miRNA-mediated inhibition of Akt to promote HCMV reactivation.

Reactivation of latent Human Cytomegalovirus (HCMV) in CD34+ hematopoietic progenitor cells (HPCs) is closely linked to hematopoiesis. Viral latency requires maintenance of the progenitor cell quiescence, while reactivation initiates following mobilization of HPCs to the periphery and differentiation into CD14+ macrophages. Early growth response gene 1 (EGR-1) is a transcription factor activated by Epidermal growth factor receptor (EGFR) signaling that is essential for the maintenance of CD34+ HPC self-renewal in the bone marrow niche. Down-regulation of EGR-1 results in mobilization and differentiation of CD34+ HPC from the bone marrow to the periphery. In the current study we demonstrate that the transcription factor EGR-1 is directly targeted for down-regulation by HCMV miR-US22 that results in decreased proliferation of CD34+ HPCs and a decrease in total hematopoietic colony formation. We also show that an HCMV miR-US22 mutant fails to reactivate in CD34+ HPCs, indicating that expression of EGR-1 inhibits viral reactivation during latency. Since EGR-1 promotes CD34+ HPC self-renewal in the bone marrow niche, HCMV miR-US22 down-regulation of EGR-1 is a necessary step to block HPC self-renewal and proliferation to induce a cellular differentiation pathway necessary to promote reactivation of virus.

Abstract Human cytomegalovirus (HCMV) infection of myeloid-lineage cells, such as CD34 + hematopoietic progenitor cells (HPCs) or monocytes results in the upregulation of anti-apoptotic cellular proteins that protect the newly infected cells from programmed cell death. The mechanisms used by HCMV to regulate pro-apoptotic cellular proteins upon infection of CD34 + HPCs has not been fully explored. Here we show that HCMV utilizes pUL7, a secreted protein that signals through the FLT3 receptor, and miR-US5-1 and miR-UL112-3p to reduce the abundance and activity of the pro-apoptotic transcription factor FOXO3a at early times after infection of CD34 + HPCs. Regulation of FOXO3a by pUL7, miR-US5-1 and miR-UL112 results in reduced expression of the pro-apoptotic BCL2L11 transcript and protection of CD34+ HPCs from virus-induced apoptosis. These data highlight the importance of both viral proteins and miRNAs in protecting CD34 + HPCs from apoptosis at early times post-infection, allowing for the establishment of latency and maintenance of viral genome-containing cells. Importance Human cytomegalovirus (HCMV) causes serious disease in immunocompromised individuals and is a significant problem during transplantation. The virus can establish a latent infection in CD34 + hematopoietic progenitor cells (HPCs) and periodically reactivate to cause disease in the absence of an intact immune system. What viral gene products are required for successful establishment of latency are still not fully understood. Here we show that both a viral protein and viral miRNAs are required to prevent apoptosis after infection of CD34 + HPCs. HCMV pUL7 and miRNAs miR-US5-1 and miR-UL112-3p act to limit the expression and activation of the transcription factor FOXO3a which in turn reduces expression of pro-apoptotic gene BCL2L11 and prevents virus-induced apoptosis in CD34 + HPCs.

Abstract Human cytomegalovirus (HCMV) microRNAs (miRNAs) significantly rewire host signaling pathways to support the viral lifecycle and regulate host cell responses. Here we show that SMAD3 expression is regulated by HCMV miR-UL22A and contributes to the IRF7-mediated induction of type I IFNs and IFN-stimulated genes (ISGs) in human fibroblasts. Addition of exogenous TGFβ interferes with the replication of a miR-UL22A mutant virus in a SMAD3-dependent manner in wild type fibroblasts, but not in cells lacking IRF7, indicating that downregulation of SMAD3 expression to limit IFN induction is important for efficient lytic replication. These findings uncover a novel interplay between SMAD3 and innate immunity during HCMV infection and highlight the role of viral miRNAs in modulating these responses. Author Summary Cells trigger the interferon (IFN) response to induce the expression of cellular genes that limit virus replication. In turn, viruses have evolved numerous countermeasures to avoid the effects of IFN signaling. Using a microRNA (miRNA) mutant virus we have uncovered a novel means of regulating the IFN response during human cytomegalovirus (HCMV) infection. Lytic HCMV infection induces the production of TGFβ, which binds to the TGFβ receptor and activates the receptor-associated SMAD SMAD3. SMAD3, together with IRF7, induces the expression of IFNβ and downstream IFN-stimulated genes in human fibroblasts. To counteract this, HCMV miR-UL22A, along with other HCMV gene products, directly targets SMAD3 for downregulation. Infection of fibroblasts with a miR-UL22A mutant virus results in enhanced type I IFN production in a SMAD3-dependent manner and the virus is impaired for growth in the presence of TGFβ, but only when both SMAD3 and IRF7 are present, highlighting the unique interaction between TGFβ and innate immune signaling.