Evolution of Ebola virus over time The high rate of mortality in the current Ebola epidemic has made it difficult for researchers to collect samples of the virus and study its evolution. Gire et al. describe Ebola epidemiology on the basis of 99 whole-genome sequences, including samples from 78 affected individuals. The authors analyzed changes in the viral sequence and conclude that the current outbreak probably resulted from the spread of the virus from central Africa in the past decade. The outbreak started from a single transmission event from an unknown animal reservoir into the human population. Two viral lineages from Guinea then spread from person to person into Sierra Leone. Science , this issue p. 1369

In the Drosophila and mammalian RNA interference pathways, siRNAs direct the protein Argonaute2 (Ago2) to cleave corresponding mRNA targets, silencing their expression. Ago2 is the catalytic component of the RNAi enzyme complex, RISC. For each siRNA duplex, only one strand, the guide, is assembled into the active RISC; the other strand, the passenger, is destroyed. An ATP-dependent helicase has been proposed first to separate the two siRNA strands, then the resulting single-stranded guide is thought to bind Ago2. Here, we show that Ago2 instead directly receives the double-stranded siRNA from the RISC assembly machinery. Ago2 then cleaves the siRNA passenger strand, thereby liberating the single-stranded guide. For siRNAs, virtually all RISC is assembled through this cleavage-assisted mechanism. In contrast, passenger-strand cleavage is not important for the incorporation of miRNAs that derive from mismatched duplexes.

To act as guides in the RNA interference (RNAi) pathway, small interfering RNAs (siRNAs) must be unwound into their component strands, then assembled with proteins to form the RNA-induced silencing complex (RISC), which catalyzes target messenger RNA cleavage. Thermodynamic differences in the base-pairing stabilities of the 5′ ends of the two ∼21-nucleotide siRNA strands determine which siRNA strand is assembled into the RISC. We show that in Drosophila , the orientation of the Dicer-2/R2D2 protein heterodimer on the siRNA duplex determines which siRNA strand associates with the core RISC protein Argonaute 2. R2D2 binds the siRNA end with the greatest double-stranded character, thereby orienting the heterodimer on the siRNA duplex. Strong R2D2 binding requires a 5′-phosphate on the siRNA strand that is excluded from the RISC. Thus, R2D2 is both a protein sensor for siRNA thermodynamic asymmetry and a licensing factor for entry of authentic siRNAs into the RNAi pathway.

Small silencing RNAs repress gene expression by a set of related mechanisms collectively called RNA-silencing pathways [1Zamore P.D. Haley B. Ribo-gnome: The big world of small RNAs.Science. 2005; 309: 1519-1524Crossref PubMed Scopus (1099) Google Scholar, 2Meister G. Tuschl T. Mechanisms of gene silencing by double-stranded RNA.Nature. 2004; 431: 343-349Crossref PubMed Scopus (1862) Google Scholar]. In the RNA interference (RNAi) pathway [3Fire A. Xu S. Montgomery M.K. Kostas S.A. Driver S.E. Mello C.C. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans.Nature. 1998; 391: 806-811Crossref PubMed Scopus (10943) Google Scholar], small interfering mRNA (siRNAs) defend cells from invasion by foreign nucleic acids, such as those produced by viruses. In contrast, microRNAs (miRNAs) sculpt endogenous mRNA expression [4Bartel D.P. Chen C.Z. Micromanagers of gene expression: The potentially widespread influence of metazoan microRNAs.Nat. Rev. Genet. 2004; 5: 396-400Crossref PubMed Scopus (1081) Google Scholar]. A third class of small RNAs, Piwi-interacting RNAs (piRNAs), defends the genome from transposons [5Aravin A.A. Lagos-Quintana M. Yalcin A. Zavolan M. Marks D. Snyder B. Gaasterland T. Meyer J. Tuschl T. The small RNA profile during Drosophila melanogaster development.Dev. Cell. 2003; 5: 337-350Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (706) Google Scholar, 6Aravin A.A. Sachidanandam R. Girard A. Fejes-Toth K. Hannon G.J. Developmentally regulated piRNA clusters implicate MILI in transposon control.Science. 2007; 316: 744-747Crossref PubMed Scopus (690) Google Scholar, 7Aravin A.A. Naumova N.M. Tulin A.V. Vagin V.V. Rozovsky Y.M. Gvozdev V.A. Double-stranded RNA-mediated silencing of genomic tandem repeats and transposable elements in the D. melanogaster germline.Curr. Biol. 2001; 11: 1017-1027Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (527) Google Scholar, 8Vagin V.V. Sigova A. Li C. Seitz H. Gvozdev V. Zamore P.D. A distinct small RNA pathway silences selfish genetic elements in the germline.Science. 2006; 313: 320-324Crossref PubMed Scopus (901) Google Scholar, 9Brennecke J. Aravin A.A. Stark A. Dus M. Kellis M. Sachidanandam R. Hannon G.J. Discrete small RNA-generating loci as master regulators of transposon activity in Drosophila.Cell. 2007; 128: 1089-1103Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (1598) Google Scholar]. Here, we report that Drosophila piRNAs contain a 2′-O-methyl group on their 3′ termini; this is a modification previously reported for plant miRNAs and siRNAs [10Yang Z. Ebright Y.W. Yu B. Chen X. HEN1 recognizes 21–24 nt small RNA duplexes and deposits a methyl group onto the 2′ OH of the 3′ terminal nucleotide.Nucleic Acids Res. 2006; 34: 667-675Crossref PubMed Scopus (296) Google Scholar] and mouse and rat piRNAs [11Kirino Y. Mourelatos Z. Mouse Piwi-interacting RNAs are 2′-O-methylated at their 3′ termini.Nat. Struct. Mol. Biol. 2007; 14: 347-348Crossref PubMed Scopus (186) Google Scholar, 12Ohara T. Sakaguchi Y. Suzuki T. Ueda H. Miyauchi K. Suzuki T. The 3′ termini of mouse Piwi-interacting RNAs are 2′-O-methylated.Nat. Struct. Mol. Biol. 2007; 14: 349-350Crossref PubMed Scopus (151) Google Scholar, 13Houwing S. Kamminga L.M. Berezikov E. Cronembold D. Girard A. van den Elst H. Filippov D.V. Blaser H. Raz E. Moens C.B. et al.A role for Piwi and piRNAs in germ cell maintenance and transposon silencing in Zebrafish.Cell. 2007; 129: 69-82Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (732) Google Scholar]. Plant small-RNA methylation is catalyzed by the protein HEN1 [10Yang Z. Ebright Y.W. Yu B. Chen X. HEN1 recognizes 21–24 nt small RNA duplexes and deposits a methyl group onto the 2′ OH of the 3′ terminal nucleotide.Nucleic Acids Res. 2006; 34: 667-675Crossref PubMed Scopus (296) Google Scholar, 14Li J. Yang Z. Yu B. Liu J. Chen X. Methylation protects miRNAs and siRNAs from a 3′-end uridylation activity in Arabidopsis.Curr. Biol. 2005; 15: 1501-1507Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (546) Google Scholar, 15Yu B. Yang Z. Li J. Minakhina S. Yang M. Padgett R.W. Steward R. Chen X. Methylation as a crucial step in plant microRNA biogenesis.Science. 2005; 307: 932-935Crossref PubMed Scopus (716) Google Scholar]. We find that DmHen1, the Drosophila homolog of HEN1, methylates the termini of siRNAs and piRNAs. Without DmHen1, the length and abundance of piRNAs are decreased, and piRNA function is perturbed. Unlike plant HEN1, DmHen1 acts on single strands, not duplexes, explaining how it can use as substrates both siRNAs—which derive from double-stranded precursors—and piRNAs—which do not [8Vagin V.V. Sigova A. Li C. Seitz H. Gvozdev V. Zamore P.D. A distinct small RNA pathway silences selfish genetic elements in the germline.Science. 2006; 313: 320-324Crossref PubMed Scopus (901) Google Scholar, 13Houwing S. Kamminga L.M. Berezikov E. Cronembold D. Girard A. van den Elst H. Filippov D.V. Blaser H. Raz E. Moens C.B. et al.A role for Piwi and piRNAs in germ cell maintenance and transposon silencing in Zebrafish.Cell. 2007; 129: 69-82Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (732) Google Scholar]. 2′-O-methylation of siRNAs may be the final step in assembly of the RNAi-enzyme complex, RISC, occurring after an Argonaute-bound siRNA duplex is converted to single-stranded RNA.

The 2013–2016 West African epidemic caused by the Ebola virus was of unprecedented magnitude, duration and impact. Here we reconstruct the dispersal, proliferation and decline of Ebola virus throughout the region by analysing 1,610 Ebola virus genomes, which represent over 5% of the known cases. We test the association of geography, climate and demography with viral movement among administrative regions, inferring a classic ‘gravity’ model, with intense dispersal between larger and closer populations. Despite attenuation of international dispersal after border closures, cross-border transmission had already sown the seeds for an international epidemic, rendering these measures ineffective at curbing the epidemic. We address why the epidemic did not spread into neighbouring countries, showing that these countries were susceptible to substantial outbreaks but at lower risk of introductions. Finally, we reveal that this large epidemic was a heterogeneous and spatially dissociated collection of transmission clusters of varying size, duration and connectivity. These insights will help to inform interventions in future epidemics. Frequent dispersal and short-lived local transmission clusters fuelled the 2013–2016 Ebola virus epidemic in Guinea, Liberia and Sierra Leone. Understanding how and why viruses spread during epidemics is crucial for planning how to prevent and respond to future threats. Andrew Rambaut and colleagues provide an overview of the genetic epidemiology of the 2013–2016 epidemic caused by Ebola virus in West Africa. By analysing more than 1,600 Ebola virus genomes, the authors determine the factors that were important in the spread of the epidemic and also explain why the virus did not spread into neighbouring countries.

One hundred and ten Zika virus genomes from ten countries and territories involved in the Zika virus epidemic reveal rapid expansion of the epidemic within Brazil and multiple introductions to other regions. Three papers in this issue present a wealth of new Zika virus (ZIKV) genome sequences and further insights into the genetic epidemiology of ZIKV. Nathan Grubaugh et al. provide 39 new ZIKV genome sequences from infected patients and Aedes aegypti mosquitoes in Florida. Phylogenetic analysis suggests that the virus has been introduced on multiple separate occasions, probably linked to travel from the Caribbean. They find a low probability of long-term persistence of ZIKV transmission chains within Florida, suggesting that the potential for future ZIKV outbreaks there will depend on transmission dynamics in the Americas. Nuno Faria et al. and Hayden Metsky et al. reconstruct the spread of ZIKV in Brazil and the Americas. Faria et al. provide 54 new ZIKV genomes, several sequenced in real time in a mobile genomics laboratory. They trace the spatial origins and spread of ZIKV in Brazil and the Americas and date the timing of the international spread of ZIKV from Brazil. They find that northeast Brazil had a crucial role in the establishment of the epidemic and the spread of the virus within Brazil and the Americas. Metsky et al. generate 110 ZIKV genomes from clinical and mosquito samples from ten regions. They also see rapid expansion of the epidemic within Brazil and multiple introductions to other geographic areas. In agreement with Faria et al., they find that ZIKV circulated unobserved for many months before transmission was detected. Metsky et al. additionally describe ZIKV evolution and discuss how the accumulation of mutations might affect the performance of diagnostic tests in the future. Although the recent Zika virus (ZIKV) epidemic in the Americas and its link to birth defects have attracted a great deal of attention1,2, much remains unknown about ZIKV disease epidemiology and ZIKV evolution, in part owing to a lack of genomic data. Here we address this gap in knowledge by using multiple sequencing approaches to generate 110 ZIKV genomes from clinical and mosquito samples from 10 countries and territories, greatly expanding the observed viral genetic diversity from this outbreak. We analysed the timing and patterns of introductions into distinct geographic regions; our phylogenetic evidence suggests rapid expansion of the outbreak in Brazil and multiple introductions of outbreak strains into Puerto Rico, Honduras, Colombia, other Caribbean islands, and the continental United States. We find that ZIKV circulated undetected in multiple regions for many months before the first locally transmitted cases were confirmed, highlighting the importance of surveillance of viral infections. We identify mutations with possible functional implications for ZIKV biology and pathogenesis, as well as those that might be relevant to the effectiveness of diagnostic tests.

Genome sequencing of Zika virus samples from infected patients and Aedes aegypti mosquitoes in Florida shows that the virus was probably introduced into the United States on multiple occasions, and that the Caribbean is the most likely source. Three papers in this issue present a wealth of new Zika virus (ZIKV) genome sequences and further insights into the genetic epidemiology of ZIKV. Nathan Grubaugh et al. provide 39 new ZIKV genome sequences from infected patients and Aedes aegypti mosquitoes in Florida. Phylogenetic analysis suggests that the virus has been introduced on multiple separate occasions, probably linked to travel from the Caribbean. They find a low probability of long-term persistence of ZIKV transmission chains within Florida, suggesting that the potential for future ZIKV outbreaks there will depend on transmission dynamics in the Americas. Nuno Faria et al. and Hayden Metsky et al. reconstruct the spread of ZIKV in Brazil and the Americas. Faria et al. provide 54 new ZIKV genomes, several sequenced in real time in a mobile genomics laboratory. They trace the spatial origins and spread of ZIKV in Brazil and the Americas and date the timing of the international spread of ZIKV from Brazil. They find that northeast Brazil had a crucial role in the establishment of the epidemic and the spread of the virus within Brazil and the Americas. Metsky et al. generate 110 ZIKV genomes from clinical and mosquito samples from ten regions. They also see rapid expansion of the epidemic within Brazil and multiple introductions to other geographic areas. In agreement with Faria et al., they find that ZIKV circulated unobserved for many months before transmission was detected. Metsky et al. additionally describe ZIKV evolution and discuss how the accumulation of mutations might affect the performance of diagnostic tests in the future. Zika virus (ZIKV) is causing an unprecedented epidemic linked to severe congenital abnormalities1,2. In July 2016, mosquito-borne ZIKV transmission was reported in the continental United States; since then, hundreds of locally acquired infections have been reported in Florida3,4. To gain insights into the timing, source, and likely route(s) of ZIKV introduction, we tracked the virus from its first detection in Florida by sequencing ZIKV genomes from infected patients and Aedes aegypti mosquitoes. We show that at least 4 introductions, but potentially as many as 40, contributed to the outbreak in Florida and that local transmission is likely to have started in the spring of 2016—several months before its initial detection. By analysing surveillance and genetic data, we show that ZIKV moved among transmission zones in Miami. Our analyses show that most introductions were linked to the Caribbean, a finding corroborated by the high incidence rates and traffic volumes from the region into the Miami area. Our study provides an understanding of how ZIKV initiates transmission in new regions.

The 2013–2015 Ebola virus disease (EVD) epidemic is caused by the Makona variant of Ebola virus (EBOV). Early in the epidemic, genome sequencing provided insights into virus evolution and transmission and offered important information for outbreak response. Here, we analyze sequences from 232 patients sampled over 7 months in Sierra Leone, along with 86 previously released genomes from earlier in the epidemic. We confirm sustained human-to-human transmission within Sierra Leone and find no evidence for import or export of EBOV across national borders after its initial introduction. Using high-depth replicate sequencing, we observe both host-to-host transmission and recurrent emergence of intrahost genetic variants. We trace the increasing impact of purifying selection in suppressing the accumulation of nonsynonymous mutations over time. Finally, we note changes in the mucin-like domain of EBOV glycoprotein that merit further investigation. These findings clarify the movement of EBOV within the region and describe viral evolution during prolonged human-to-human transmission.

Abstract Despite widespread vaccination, eleven thousand mumps cases were reported in the United States (US) in 2016–17, including hundreds in Massachusetts, primarily in college settings. We generated 203 whole genome mumps virus (MuV) sequences from Massachusetts and 15 other states to understand the dynamics of mumps spread locally and nationally, as well as to search for variants potentially related to vaccination. We observed multiple MuV lineages circulating within Massachusetts during 2016–17, evidence for multiple introductions of the virus to the state, and extensive geographic movement of MuV within the US on short time scales. We found no evidence that variants arising during this outbreak contributed to vaccine escape. Combining epidemiological and genomic data, we observed multiple co-circulating clades within individual universities as well as spillover into the local community. Detailed data from one well-sampled university allowed us to estimate an effective reproductive number within that university significantly greater than one. We also used publicly available small hydrophobic (SH) gene sequences to estimate migration between world regions and to place this outbreak in a global context, but demonstrate that these short sequences, historically used for MuV genotyping, are inadequate for tracing detailed transmission. Our findings suggest continuous, often undetected, circulation of mumps both locally and nationally, and highlight the value of combining genomic and epidemiological data to track viral disease transmission at high resolution.