Understanding gene regulation and function requires a genome-wide method capable of capturing both gene expression levels and isoform diversity at the single-cell level. Short-read RNAseq is limited in its ability to resolve complex isoforms because it fails to sequence full-length cDNA copies of RNA molecules. Here, we investigate whether RNAseq using the long-read single-molecule Oxford Nanopore MinION sequencer is able to identify and quantify complex isoforms without sacrificing accurate gene expression quantification. After benchmarking our approach, we analyse individual murine B1a cells using a custom multiplexing strategy. We identify thousands of unannotated transcription start and end sites, as well as hundreds of alternative splicing events in these B1a cells. We also identify hundreds of genes expressed across B1a cells that display multiple complex isoforms, including several B cell-specific surface receptors. Our results show that we can identify and quantify complex isoforms at the single cell level.

ABSTRACT Human astrovirus VA1 has been associated with neurological disease in immunocompromised patients, and its recent propagation in cell culture has opened the possibility to study its biology. Unlike classical human astroviruses, VA1 growth was found to be independent of trypsin during virus replication in vitro . In this work, we show that despite its independence on trypsin activation for cell infection, the VA1 capsid precursor protein, of 86 kDa (VP86), is processed intracellularly, and this proteolytic processing is important for astrovirus VA1 infectivity. Antibodies raised against different regions of the capsid precursor showed that the polyprotein can be processed starting at either its amino-or carboxy-terminal end, and they allowed us to identify that proteins of about 33 (VP33) and 38 (VP38) kDa constitute the core and the spike proteins of the mature infectious virus particles, respectively. The amino-terminal end of the spike protein was found to be Thr-348. Whether the protease involved in intracellular cleavage of the capsid precursor is of viral or cellular origin remains to be determined, but the cleavage is independent of caspases. Also, trypsin is able to degrade the capsid precursor but has no effect on VP34 and VP38 proteins when assembled into virus particles. These studies provide the basis for advancement of the knowledge of astrovirus VA1 cell entry and replication. IMPORTANCE Human astrovirus VA1 has been associated with neurological disease in immunocompromised patients. Its recent propagation in cell culture has facilitated the study of its biology. In this work, we show that despite the ability of this virus to grow in the absence of trypsin, a marked feature of human classical astroviruses, the capsid precursor protein of astrovirus VA1 is cleaved intracellularly to yield the mature infectious particles, formed by two polypeptides, VP33 that constitutes the core domain of the virus particle, and V38 that forms the spike of the virus. These studies provide a platform to advance our knowledge on astrovirus VA1 cell entry and replication.

Understanding gene regulation and function requires a genome-wide method capable of capturing both gene expression levels and isoform diversity at the single cell level. Short-read RNAseq, while the current standard for gene expression quantification, is limited in its ability to resolve complex isoforms because it fails to sequence full-length cDNA copies of RNA molecules. Here, we investigated whether RNAseq using the long-read single-molecule Oxford Nanopore MinION sequencing technology (ONT RNAseq) would be able to identify and quantify complex isoforms without sacrificing accurate gene expression quantification. After successfully benchmarking our experimental and computational approaches on a mixture of synthetic transcripts, we analyzed individual murine B1a cells using a new cellular indexing strategy. Using the Mandalorion analysis pipeline we developed, we identified thousands of unannotated transcription start and end sites, as well as hundreds of alternative splicing events in these B1a cells. We also identified hundreds of genes expressed across B1a cells that displayed multiple complex isoforms, including several B cell specific surface receptors and the antibody heavy chain (IGH) locus. Our results show that not only can we identify complex isoforms, but also quantify their expression, at the single cell level.

Abstract Astroviruses are highly divergent and infect a wide variety of animal hosts. In 2009, a genetically divergent human astrovirus (HAstV) strain VA1 was first identified in an outbreak of acute gastroenteritis. This strain has also been associated with fatal central nervous system disease. In this work, we report the isolation of three high-affinity neutralizing monoclonal antibodies (Nt-MAbs) targeting the capsid spike domain of HAstV-VA1. These antibodies (7C8, 2A2, 3D8) were used to select individual HAstV-VA1 mutants resistant to their neutralizing activity and also select a HAstV-VA1 triple mutant that escapes neutralization from all three Nt-MAbs. Sequencing of the virus genome capsid region revealed escape mutations that map to the surface of the capsid spike domain, define three potentially independent neutralization epitopes, and help delineate four antigenic sites in rotaviruses. Notably, two of the escape mutations were found to be present in the spike sequence of the HAstV-VA1-PS strain isolated from an immunodeficient patient with encephalitis, suggesting that those mutations arose as a result of the immune pressure generated by the patient’s immunotherapy. In accordance with this observation, human serum samples exhibiting strong neutralization activity against wild-type HAstV-VA1 had a 2.6-fold reduction in neutralization titer when evaluated against the triple-escape HAstV-VA1 mutant, indicating shared neutralization epitopes between the mouse and human antibody response. The isolated Nt-MAbs reported in this work will help characterize the functional sites of the virus during cell entry and have the potential for developing a specific antibody therapy for the neurological disease associated with HAstV-VA1. Importance Human astroviruses (HAstVs) have been historically associated with acute gastroenteritis. However, the genetically divergent HAstV-VA1 strain has been associated with central nervous system disease. This work isolated high-affinity neutralizing monoclonal antibodies directed to HAstV-VA1. The proposed binding sites for these antibodies, together with previously reported sites for neutralizing antibodies against classical HAstVs, suggest the existence of at least four neutralization sites on the capsid spike of astroviruses. Our data show that natural infection with human astrovirus VA1 elicits a robust humoral immune response that targets the same antigenic sites recognized by the mouse monoclonal antibodies and strongly suggests the emergence of a variant HAstV-VA1 virus in an immunodeficient patient with prolonged astrovirus infection. The isolated Nt-MAb reported in this work will be helpful in defining the functional sites of the virus involved in cell entry and hold promise for developing a specific antibody therapy for the neurological disease associated with HAstV-VA1.

Abstract The computationally optimized broadly reactive antigen (COBRA) approach has previously been used to generate hemagglutinin (HA) immunogens for several influenza subtypes that expand vaccine-elicited antibody breadth. As nearly all individuals have pre-existing immunity to influenza viruses, influenza-specific memory B cells will likely be recalled upon COBRA HA vaccination. We determined the epitope specificity and repertoire characteristics of pre-existing human B cells to H1 COBRA HA antigens. Cross-reactivity between wild type HA and H1 COBRA HA proteins were observed at both the oligoclonal B cell level and for a subset of isolated monoclonal antibodies (mAbs). The mAbs bound five distinct epitopes on the pandemic A/California/04/2009 head and stem domains, and the majority of the mAbs had HAI and neutralizing activity against pandemic H1 strains. Two head-directed mAbs, CA09-26 and CA09-45, had HAI and neutralizing activity against a pre-pandemic H1 strain. One mAb, P1-05, targets the stem region of H1 HA proteins, but does not compete with known stem-targeting H1 mAbs. We determined that mAb P1-05 recognizes a recently discovered membrane proximal epitope on HA, the anchor epitope, and we identified similar mAbs using B cell repertoire sequencing. In addition, the trimerization domain distance from HA was critical to recognition of this epitope by P1-05. Overall, these data indicate that seasonally vaccinated individuals possess a population of functional H1 COBRA HA- reactive B cells that target head, central stalk, and anchor epitopes, and demonstrate the importance of structure-based assessment of subunit protein vaccine candidates to ensure accessibility of optimal protein epitopes. Significance Influenza imposes significant human and economic costs every year. The current seasonal vaccine elicits primarily strain-specific antibodies, and year to year vaccine effectiveness is variable. The COBRA approach could provide longer protection and obviate the requirement for annual vaccination. Whereas COBRA HAs have previously been evaluated in animal models, the pre-existing COBRA HA-reactive human B cell population has yet to be elucidated, and is important to identify specific B cells that may be recalled by H1 HA COBRA vaccination. This work demonstrates that seasonally vaccinated individuals possess a functional B cell population targeting both head and stem domains that could be recalled with COBRA HA immunogens.

Influenza causes significant morbidity and mortality. As an alternative approach to current seasonal vaccines, the computationally optimized broadly reactive antigen (COBRA) platform has been previously applied to hemagglutinin (HA). This approach integrates wild-type HA sequences into a single immunogen to expand the breadth of accessible antibody epitopes. Adding to previous studies of H1, H3, and H5 COBRA HAs, we define the structural features of another H1 subtype COBRA, X6, that incorporates HA sequences from before and after the 2009 H1N1 influenza pandemic. We determined structures of this antigen alone and in complex with COBRA-specific as well as broadly reactive and functional antibodies, analyzing its antigenicity. We found that X6 possesses features representing both historic and recent H1 HA strains, enabling binding to both head- and stem-reactive antibodies. Overall, these data confirm the integrity of broadly reactive antibody epitopes of X6 and contribute to design efforts for a next-generation vaccine.