The genetics underlying severe COVID-19 The immune system is complex and involves many genes, including those that encode cytokines known as interferons (IFNs). Individuals that lack specific IFNs can be more susceptible to infectious diseases. Furthermore, the autoantibody system dampens IFN response to prevent damage from pathogen-induced inflammation. Two studies now examine the likelihood that genetics affects the risk of severe coronavirus disease 2019 (COVID-19) through components of this system (see the Perspective by Beck and Aksentijevich). Q. Zhang et al. used a candidate gene approach and identified patients with severe COVID-19 who have mutations in genes involved in the regulation of type I and III IFN immunity. They found enrichment of these genes in patients and conclude that genetics may determine the clinical course of the infection. Bastard et al. identified individuals with high titers of neutralizing autoantibodies against type I IFN-α2 and IFN-ω in about 10% of patients with severe COVID-19 pneumonia. These autoantibodies were not found either in infected people who were asymptomatic or had milder phenotype or in healthy individuals. Together, these studies identify a means by which individuals at highest risk of life-threatening COVID-19 can be identified. Science , this issue p. eabd4570 , p. eabd4585 ; see also p. 404

Gene expression occurs either as an episodic process, characterized by pulsatile bursts, or as a constitutive process, characterized by a Poisson-like accumulation of gene products. It is not clear which mode of gene expression (constitutive versus bursty) predominates across a genome or how transcriptional dynamics are influenced by genomic position and promoter sequence. Here, we use time-lapse fluorescence microscopy to analyze 8,000 individual human genomic loci and find that at virtually all loci, episodic bursting—as opposed to constitutive expression—is the predominant mode of expression. Quantitative analysis of the expression dynamics at these 8,000 loci indicates that both the frequency and size of the transcriptional bursts varies equally across the human genome, independent of promoter sequence. Strikingly, weaker expression loci modulate burst frequency to increase activity, whereas stronger expression loci modulate burst size to increase activity. Transcriptional activators such as trichostatin A (TSA) and tumor necrosis factor α (TNF) only modulate burst size and frequency along a constrained trend line governed by the promoter. In summary, transcriptional bursting dominates across the human genome, both burst frequency and burst size vary by chromosomal location, and transcriptional activators alter burst frequency and burst size, depending on the expression level of the locus.

Flaviviruses pose a constant threat to human health. These RNA viruses are transmitted by the bite of infected mosquitoes and ticks and regularly cause outbreaks. To identify host factors required for flavivirus infection we performed full-genome loss of function CRISPR-Cas9 screens. Based on these results we focused our efforts on characterizing the roles that TMEM41B and VMP1 play in the virus replication cycle. Our mechanistic studies on TMEM41B revealed that all members of the Flaviviridae family that we tested require TMEM41B. We tested 12 additional virus families and found that SARS-CoV-2 of the Coronaviridae also required TMEM41B for infection. Remarkably, single nucleotide polymorphisms (SNPs) present at nearly twenty percent in East Asian populations reduce flavivirus infection. Based on our mechanistic studies we hypothesize that TMEM41B is recruited to flavivirus RNA replication complexes to facilitate membrane curvature, which creates a protected environment for viral genome replication.TMEM41B and VMP1 are required for both autophagy and flavivirus infection, however, autophagy is not required for flavivirus infection.TMEM41B associates with viral proteins and likely facilitates membrane remodeling to establish viral RNA replication complexes.TMEM41B single nucleotide polymorphisms (SNPs) present at nearly twenty percent in East Asian populations reduce flavivirus infection.TMEM41B-deficient cells display an exaggerated innate immune response upon high multiplicity flavivirus infection.

ABSTRACT Advanced non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) is a rapidly emerging global health problem associated with pre-disposing genetic polymorphisms, most strikingly an isoleucine to methionine substitution in patatin-like phospholipase domain-containing protein 3 (PNPLA3-I148M). Here, we study how human hepatocytes with PNPLA3 148I and 148M variants engrafted in the livers of chimeric mice respond to a hypercaloric Western-style diet. As early as 4 weeks, mice developed dyslipidemia, impaired glucose tolerance, and steatohepatitis selectively in the human graft, followed by pericellular fibrosis after 8 weeks of hypercaloric feeding. The PNPLA3 148M variant, either from a homozygous 148M human donor or overexpressed in a homozygous 148I donor background, caused widespread microvesicular steatosis and even more severe steatohepatitis. We conclude that PNPLA3 148M in human hepatocytes exacerbates NAFLD. These models will facilitate mechanistic studies into human genetic variants associated with advanced fatty liver diseases.

Abstract Interferons (IFNs) play a crucial role in the regulation and evolution of host-virus interactions. Here, we conducted a genome-wide arrayed CRISPR knockout screen in the presence and absence of IFN to identify human genes that influence SARS-CoV-2 infection. We then performed an integrated analysis of genes interacting with SARS-CoV-2, drawing from a selection of 67 large-scale studies, including our own. We identified 28 genes of high relevance in both human genetic studies of COVID-19 patients and functional genetic screens in cell culture, with many related to the IFN pathway. Among these was the IFN-stimulated gene PLSCR1 . PLSCR1 did not require IFN induction to restrict SARS-CoV-2 and did not contribute to IFN signaling. Instead, PLSCR1 specifically restricted spike-mediated SARS-CoV-2 entry. The PLSCR1-mediated restriction was alleviated by TMPRSS2 over-expression, suggesting that PLSCR1 primarily restricts the endocytic entry route. In addition, recent SARS-CoV-2 variants have adapted to circumvent the PLSCR1 barrier via currently undetermined mechanisms. Finally, we investigate the functional effects of PLSCR1 variants present in humans and discuss an association between PLSCR1 and severe COVID-19 reported recently.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the causative agent of the global COVID-19 pandemic and the lack of therapeutics hinders pandemic control1-2. Although lung disease is the primary clinical outcome in COVID-19 patients1-3, how SARS-CoV-2 induces tissue pathology in the lung remains elusive. Here we describe a high-throughput platform to generate tens of thousands of self-organizing, nearly identical, and genetically matched human lung buds derived from human pluripotent stem cells (hPSCs) cultured on micropatterned substrates. Strikingly, in vitro-derived human lung buds resemble fetal human lung tissue and display in vivo-like proximo-distal coordination of alveolar and airway tissue differentiation whose 3D epithelial self-organization is directed by the levels of KGF. Single-cell transcriptomics unveiled the cellular identities of airway and alveolar tissue and the differentiation of WNThi cycling alveolar stem cells, a human-specific lung cell type4. These synthetic human lung buds are susceptible to infection by SARS-CoV-2 and endemic coronaviruses and can be used to track cell type-dependent susceptibilities to infection, intercellular transmission and cytopathology in airway and alveolar tissue in individual lung buds. Interestingly, we detected an increased susceptibility to infection in alveolar cells and identified cycling alveolar stem cells as targets of SARS-CoV-2. We used this platform to test neutralizing antibodies isolated from convalescent plasma that efficiently blocked SARS-CoV-2 infection and intercellular transmission. Our platform offers unlimited, rapid and scalable access to disease-relevant lung tissue that recapitulate key hallmarks of human lung development and can be used to track SARS-CoV-2 infection and identify candidate therapeutics for COVID-19.

Recent analysis (Dey et al, 2015), demonstrates that the HIV-1 Long Terminal Repeat (HIV LTR) promoter exhibits a range of possible transcriptional burst sizes and frequencies for any mean-expression level. However, these results have also been interpreted as demonstrating that cell-to-cell expression variability (noise) and mean are uncorrelated, a significant deviation from previous results. Here, we re-examine the available mRNA and protein abundance data for the HIV LTR and find that noise in mRNA and protein expression scales inversely with the mean along analytically predicted transcriptional burst-size manifolds. We then experimentally perturb transcriptional activity to test a prediction of the multiple burst-size model: that increasing burst frequency will cause mRNA noise to decrease along given burst-size lines as mRNA levels increase. The data show that mRNA and protein noise decrease as mean expression increases, supporting the canonical inverse correlation between noise and mean.

Fundamental to biological decision-making is the ability to generate bimodal expression patterns where two alternate expression states simultaneously exist. Here, we use a combination of single-cell analysis and mathematical modeling to examine the sources of bimodality in the transcriptional program controlling HIV's fate decision between active replication and viral latency. We find that the HIV Tat protein manipulates the intrinsic toggling of HIV's promoter, the LTR, to generate bimodal ON-OFF expression, and that transcriptional positive feedback from Tat shifts and expands the regime of LTR bimodality. This result holds for both minimal synthetic viral circuits and full-length virus. Strikingly, computational analysis indicates that the Tat circuit's non-cooperative ‘non-latching’ feedback architecture is optimized to slow the promoter's toggling and generate bimodality by stochastic extinction of Tat. In contrast to the standard Poisson model, theory and experiment show that non-latching positive feedback substantially dampens the inverse noise-mean relationship to maintain stochastic bimodality despite increasing mean-expression levels. Given the rapid evolution of HIV, the presence of a circuit optimized to robustly generate bimodal expression appears consistent with the hypothesis that HIV's decision between active replication and latency provides a viral fitness advantage. More broadly, the results suggest that positive-feedback circuits may have evolved not only for signal amplification but also for robustly generating bimodality by decoupling expression fluctuations (noise) from mean expression levels.

Diverse biological systems utilize gene-expression fluctuations (noise) to drive lineage-31 commitment decisions1-5. However, once a commitment is made, noise becomes detrimental 32 to reliable function6,7 and the mechanisms enabling post-commitment noise suppression are 33 unclear. We used time-lapse imaging and mathematical modeling, and found that, after a 34 noise-driven event, human immunodeficiency virus (HIV) strongly attenuated expression 35 noise through a non-transcriptional negative-feedback circuit. Feedback is established by 36 serial generation of RNAs from post-transcriptional splicing, creating a precursor-product 37 relationship where proteins generated from spliced mRNAs auto-deplete their own 38 precursor un-spliced mRNAs. Strikingly, precursor auto-depletion overcomes the 39 theoretical limits on conventional noise suppression, minimizing noise far better than 40 transcriptional auto-repression, and dramatically stabilizes commitment to the active-41 replication state. This auto-depletion feedback motif may efficiently suppress noise in 42 other systems ranging from detained introns to non-sense mediated decay.