Abstract The newly emerged and rapidly spreading SARS-CoV-2 causes coronavirus disease 2019 (COVID-19). To facilitate a deeper understanding of the viral biology we developed a capture sequencing methodology to generate SARS-CoV-2 genomic and transcriptome sequences from infected patients. We utilized an oligonucleotide probe-set representing the full-length genome to obtain both genomic and transcriptome (subgenomic open reading frames [ORFs]) sequences from 45 SARS-CoV-2 clinical samples with varying viral titers. For samples with higher viral loads (cycle threshold value under 33, based on the CDC qPCR assay) complete genomes were generated. Analysis of junction reads revealed regions of differential transcriptional activity and provided evidence of expression of ORF10. Heterogeneous allelic frequencies along the 20kb ORF1ab gene suggested the presence of a defective interfering viral RNA species subpopulation in one sample. The associated workflow is straightforward, and hybridization-based capture offers an effective and scalable approach for sequencing SARS-CoV-2 from patient samples.

There is an unmet need for pre-clinical models to understand the pathogenesis of human respiratory viruses; and predict responsiveness to immunotherapies. Airway organoids can serve as an ex-vivo human airway model to study respiratory viral pathogenesis; however, they rely on invasive techniques to obtain patient samples. Here, we report a non-invasive technique to generate human nose organoids (HNOs) as an alternate to biopsy derived organoids. We made air liquid interface (ALI) cultures from HNOs and assessed infection with two major human respiratory viruses, respiratory syncytial virus (RSV) and severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2). Infected HNO-ALI cultures recapitulate aspects of RSV and SARS-CoV-2 infection, including viral shedding, ciliary damage, innate immune responses, and mucus hyper-secretion. Next, we evaluated the feasibility of the HNO-ALI respiratory virus model system to test the efficacy of palivizumab to prevent RSV infection. Palivizumab was administered in the basolateral compartment (circulation) while viral infection occurred in the apical ciliated cells (airways), simulating the events in infants. In our model, palivizumab effectively prevented RSV infection in a concentration dependent manner. Thus, the HNO-ALI model can serve as an alternate to lung organoids to study respiratory viruses and testing therapeutics.

ABSTRACT Respiratory syncytial virus (RSV) is a leading cause of pediatric acute respiratory infection worldwide. There are currently no approved vaccines or antivirals to combat RSV disease. A few transformed cell lines and two historic strains have been extensively used to study RSV. Here we report a thorough molecular and cell biological characterization of HEp-2 and A549 cells infected with four strains of RSV representing both major subgroups as well as historic and more contemporaneous genotypes -- [RSV/A/Tracy (GA1), RSV/A/Ontario (ON), RSV/B/18537 (GB1), RSV/B/Buenos Aires (BA)] -- via measurements of viral replication kinetics and viral gene expression, immunofluorescence-based imaging of gross cellular morphology and cell-associated RSV, and measurements of host response including transcriptional changes and levels of secreted cytokines and growth factors. Our findings strongly suggest 1) the existence of a conserved difference in gene expression between RSV subgroups A and B; 2) the A549 cell line is a more stringent and natural host of replicating RSV than the HEp-2 cell line; and 3) consistent with previous studies, determining the full effects of viral genetic variation in RSV pathogenesis requires model systems as tractable as transformed cell lines but better representative of the human host. IMPORTANCE Infection with respiratory syncytial virus (RSV) early in life is essentially guaranteed and can lead to severe disease. In vitro data from two historic RSV/A strains and two cell lines, HEp-2 and A549, constitute most of our knowledge; but RSV contains ample variation from two evolving subgroups (A and B) showing recent convergent evolution. Here we measure viral action and host response in HEp-2 and A549 cells infected with four RSV strains from both subgroups and representing both historic and more contemporaneous strains. We discover a subgroup-dependent difference in viral gene expression and find A549 cells are more potently antiviral and more sensitive, albeit subtly, to viral variation. Our findings reveal important differences between RSV subgroups and two widely used cell lines and provide baseline data for experiments with model systems better representative of natural RSV infection.

Current understanding of viral dynamics of SARS-CoV-2 and host responses driving the pathogenic mechanisms in COVID-19 is rapidly evolving. Here, we conducted a longitudinal study to investigate gene expression patterns during acute SARS-CoV-2 illness. Cases included SARS-CoV-2 infected individuals with extremely high viral loads early in their illness, individuals having low SARS-CoV-2 viral loads early in their infection, and individuals testing negative for SARS-CoV-2. We could identify widespread transcriptional host responses to SARS-CoV-2 infection that were initially most strongly manifested in patients with extremely high initial viral loads, then attenuating within the patient over time as viral loads decreased. Genes correlated with SARS-CoV-2 viral load over time were similarly differentially expressed across independent datasets of SARS-CoV-2 infected lung and upper airway cells, from both in vitro systems and patient samples. We also generated expression data on the human nose organoid model during SARS-CoV-2 infection. The human nose organoid-generated host transcriptional response captured many aspects of responses observed in the above patient samples, while suggesting the existence of distinct host responses to SARS-CoV-2 depending on the cellular context, involving both epithelial and cellular immune responses. Our findings provide a catalog of SARS-CoV-2 host response genes changing over time.

Respiratory syncytial virus (RSV) is a nonsegmented negative-strand (NNS) RNA virus and a leading cause of severe lower respiratory tract illness in infants and the elderly. Transcription of the ten RSV genes proceeds sequentially from the 3’ promoter and requires conserved gene start (GS) and gene end (GE) signals. Previous studies using the prototypical GA1 genotype Long and A2 strains have indicated a gradient of gene transcription. However, recent reports show data that appear inconsistent with a gradient. To better understand RSV transcriptional regulation, mRNA abundances from five RSV genes were measured by quantitative real-time PCR (qPCR) in three cell lines and cotton rats infected with virus isolates belonging to four different genotypes (GA1, ON, GB1, BA). Relative mRNA levels reached steady-state between four and 24 hours post-infection. Steady-state patterns were genotype-specific and non-gradient, where mRNA levels from the G (attachment) gene exceeded those from the more promoter-proximal N (nucleocapsid) gene across isolates. Transcript stabilities could not account for the non-gradient patterns observed, indicating that relative mRNA levels more strongly reflect transcription than decay. While the GS signal sequences were highly conserved, their alignment with N protein in the helical ribonucleocapsid, i.e., N-phase, was variable, suggesting polymerase recognition of GS signal conformation affects transcription initiation. The effect of GS N-phase on transcription efficiency was tested using dicistronic minigenomes. Ratios of minigenome gene expression showed a switch-like dependence on N-phase with a period of seven nucleotides. Our results indicate that RSV gene expression is in part sculpted by polymerases that initiate transcription with a probability dependent on GS signal N-phase.

Abstract Human respiratory syncytial virus (RSV) is a major cause of lower respiratory infection. Despite more than 60 years of research, there is no licensed vaccine. While B cell response is a major focus for vaccine design, the T cell epitope profile of RSV is also important for vaccine development. Here, we computationally predicted putative T cell epitopes in the Fusion protein (F) and Glycoprotein (G) of RSV wild circulating strains by predicting Major Histocompatibility Complex (MHC) class I and class II binding affinity. We limited our inferences to conserved epitopes in both F and G proteins that have been experimentally validated. We applied multidimensional scaling (MDS) to construct T cell epitope landscapes to investigate the diversity and evolution of T cell profiles across different RSV strains. We find the RSV strains are clustered into three RSV-A groups and two RSV-B groups on this T epitope landscape. These clusters represent divergent RSV strains with potentially different immunogenic profiles. In addition, our results show a greater proportion of F protein T cell epitope content conservation among recent epidemic strains, whereas the G protein T cell epitope content was decreased. Importantly, our results suggest that RSV-A and RSV-B have different patterns of epitope drift and replacement and that RSV-B vaccines may need more frequent updates. Our study provides a novel framework to study RSV T cell epitope evolution. Understanding the patterns of T cell epitope conservation and change may be valuable for vaccine design and assessment. Author Summary Lower respiratory infections caused by human respiratory syncytial virus (RSV) is a global health challenge. B cell epitope immune response has been the major focus of RSV vaccine and therapeutic development. However, T cell epitope induced immunity plays an important role in the resolution of RSV infection. While RSV genetic diversity has been widely reported, few studies focus on RSV T epitope diversity, which can influence vaccine effectiveness. Here, we use computationally predicted T cell epitope profiles of circulating strains to characterize the diversity and evolution of the T cell epitope of RSV A and B. We systematically evaluate the T epitope profile of RSV F and G proteins. We provide a T cell epitope landscape visualization that shows co-circulation of three RSV-A groups and two RSV-B groups, suggesting potentially distinct T cell immunity. Furthermore, our study shows different levels of F and G protein T cell epitope content conservation, which may be important to correlate with duration of vaccine protection. This study provides a novel framework to study RSV T cell epitope evolution, infer RSV T cell immunity at population levels and monitor RSV vaccine effectiveness.

Respiratory syncytial virus (RSV) is a common cause of respiratory infections, causing significant morbidity and mortality, especially in young children. Why RSV infection in children is more severe as compared to healthy adults is not fully understood. In the present study, we infect both pediatric and adult human nose organoid-air liquid interface (HNO-ALIs) cell lines with two contemporary RSV isolates and demonstrate how they differ in virus replication, induction of the epithelial cytokine response, cell injury, and remodeling. Pediatric HNO-ALIs were more susceptible to early RSV replication, elicited a greater overall cytokine response, demonstrated enhanced mucous production, and manifested greater cellular damage compared to their adult counterparts. Adult HNO-ALIs displayed enhanced mucus production and robust cytokine response that was well controlled by superior regulatory cytokine response and possibly resulted in lower cellular damage than in pediatric lines. Taken together, our data suggest substantial differences in how pediatric and adult upper respiratory tract epithelium responds to RSV infection. These differences in epithelial cellular response can lead to poor mucociliary clearance and predispose infants to a worse respiratory outcome of RSV infection.

ABSTRACT Respiratory Syncytial Virus (RSV) Fusion protein (F) is highly conserved between RSV/A and RSV/B subtypes. To become fully active, F precursor undergoes enzymatic cleavage to yield F1 and F2 subunits and releases a 27 amino acid peptide (p27). Virus-cell fusion occurs when RSV F undergoes a conformational change from pre-F to post-F. Previous immunological and cell-surface expression data show that p27 is detected on RSV F, but questions remain on how p27 effects the conformation of mature RSV F. Monoclonal antibodies against p27, Site Ø (pre-Fusion specific), and Site II were used to monitor RSV F conformation by ELISA and Imaging Flow Cytometry. Pre-F to post-F conformational change was induced by temperature-stress test. We found that p27 cleavage efficiency was lower on sucrose purified (sp) RSV/A than on spRSV/B. In addition, in vitro cleavage of RSV F was cell-line dependent, higher levels of p27 expression were observed on surface of RSV infected HEp-2 cells than A549 cells. Higher levels of p27 were also found on RSV/A infected cells compared to RSV/B. We observed that RSV/A F with higher levels of p27 could better sustain the pre-F conformation during the temperature-stress challenge in both spRSV and as well RSV-infected cell lines. Our findings suggest that despite F sequence similarity, the p27 of RSV subtypes is cleaved with different efficiencies, which were also dependent on the cell lines used for infection. We therefore speculate that partially cleaved p27 may confer higher stability to the pre-F and provides a fitness advantage. IMPORTANCE The RSV fusion protein (F) plays an important role in entry and viral fusion to the host cell. The F protein undergoes proteolytic cleavages by furin protease resulting in the release of a 27 amino acid peptide (p27) to become fully functional. During this process, the F protein also undergoes a conformational change from metastable pre-F to highly stable post-F. For decades, the consensus in the RSV field was that p27 was not present in the fully mature RSV F protein. Therefore, the role of the p27 peptide in viral entry and the function of the partially cleaved F protein containing p27 has been overlooked. However, recent developments have shown that p27 elicits an immune response during natural infection and that p27 can be found in vitro and in animal models infected with the prototypical RSV/A strain. In this study, we were able to detect p27 on purified RSV virions and on the surface of virus-infected cells of two widely used cell lines, HEp-2 and A549 cells for both prototypical and contemporary circulating RSV strains of both subtypes. Also, higher levels of partially cleaved F protein containing p27 could better sustain the pre-F conformation during the temperature-stress challenge. Our findings highlight that the cleavage efficiency of p27 is different between RSV subtypes and among cell lines and that the presence of p27 in partially cleaved F protein likely contributes to the stability of the pre-F conformation.

Abstract The newly emerged and rapidly spreading SARS-CoV-2 causes coronavirus disease 2019 (COVID-19). To facilitate a deeper understanding of the viral biology we developed a capture sequencing methodology to generate SARS-CoV-2 genomic and transcriptome sequences from infected patients. We utilized an oligonucleotide probe-set representing the full-length genome to obtain both genomic and transcriptome (subgenomic open reading frames [ORFs]) sequences from 45 SARS-CoV-2 clinical samples with varying viral titers. For samples with higher viral loads (cycle threshold value under 33, based on the CDC qPCR assay) complete genomes were generated. Analysis of junction reads revealed regions of differential transcriptional activity and provided evidence of expression of ORF10. Heterogeneous allelic frequencies along the 20kb ORF1ab gene suggested the presence of a defective interfering viral RNA species subpopulation in one sample. The associated workflow is straightforward, and hybridization-based capture offers an effective and scalable approach for sequencing SARS-CoV-2 from patient samples.

Abstract Every viral infection entails an evolving population of viral genomes. High-throughput sequencing technologies can be used to characterize such populations, but to date there are few published examples of such work. In addition, mixed sequencing data are sometimes used to infer properties of infecting genomes without discriminating between genome-derived reads and reads from the much more abundant, in the case of a typical active viral infection, transcripts. Here we apply capture probe-based short read high-throughput sequencing to nasal wash samples taken from a previously described group of adult hematopoietic cell transplant (HCT) recipients naturally infected with respiratory syncytial virus (RSV). We separately analyzed reads from genomes and transcripts for the levels and distribution of genetic variation by calculating per position Shannon entropies. Our analysis reveals a low level of genetic variation within the RSV infections analyzed here, but with interesting differences between genomes and transcripts in 1) average per sample Shannon entropies; 2) the genomic distribution of variation ‘hotspots’; and 3) the genomic distribution of hotspots encoding alternative amino acids. In all, our results suggest the importance of separately analyzing reads from genomes and transcripts when interpreting high-throughput sequencing data for insight into intra-host viral genome replication, expression, and evolution.