Defective viral genomes (DVGs) have been identified in many RNA viruses as a major factor influencing antiviral immune response and viral pathogenesis. However, the generation and function of DVGs in SARS-CoV-2 infection are less known. In this study, we elucidated DVG generation in SARS-CoV-2 and its relationship with host antiviral immune response. We observed DVGs ubiquitously from RNA-seq datasets of

Abstract Respiratory syncytial virus (RSV) contains a conserved CX3C motif on the ectodomain of the G-protein. The motif has been indicated as facilitating attachment of the virus to the host initiating infection via the human CX3CR1 receptor. The natural CX3CR1 ligand, CX3CL1, has been shown to induce signaling pathways resulting in transcriptional changes in the host cells. We hypothesize that binding of RSV to CX3CR1 via CX3C leads to transcriptional changes in host epithelial cells. Using transcriptomic analysis, the effect of CX3CR1 engagement by RSV was investigated. Normal human bronchial epithelial (NHBE) cells were infected with RSV virus containing either wildtype G-protein, or a mutant virus containing a CX4C mutation in the G-protein. RNA sequencing was performed on mock and 4-days-post-infected cultures. NHBE cultures were also treated with purified recombinant wild-type A2 G-protein. Here we report that RSV infection resulted in significant changes in the levels 766 transcripts. Many nuclear associated proteins were upregulated in the WT group, including Nucleolin. Alternatively, cilia-associated genes, including CC2D2A and CFAP221 (PCDP1), were downregulated. The addition of recombinant G-protein to the culture lead to the suppression of cilia-related genes while also inducing Nucleolin. Mutation of the CX3C motif (CX4C) reversed these effects on transcription decreasing nucleolin induction and lessening the suppression of cilia-related transcripts in culture. Furthermore, immunohistochemical staining demonstrated decreases in in ciliated cells and altered morphology. Therefore, it appears that engagement of CX3CR1 leads to induction of genes necessary for RSV entry as well as dysregulation of genes associated with cilia function. Importance Respiratory Syncytial Virus (RSV) has an enormous impact on infants and the elderly including increased fatality rates and potential for causing lifelong lung problems. Humans become infected with RSV through the inhalation of viral particles exhaled from an infected individual. These virus particles contain specific proteins that the virus uses to attach to human ciliated lung epithelial cells, initiating infection. Two viral proteins, G-protein and F-protein, have been shown to bind to human CX3CR1and Nucleolin, respectively. Here we show that the G-protein induces Nucleolin and suppresses gene transcripts specific to ciliated cells. Furthermore, we show that mutation of the CX3C-motif on the G-protein, CX4C, reverses these transcriptional changes.

Background: Successful vaccination against the H1N1 Influenza A virus has required the continuous development of new vaccines that are antigenically similar to currently circulating strains. Vaccine strategies that can increase the cross-reactivity of the antibody response, especially to conserved regions, are essential to creating long-lasting immunity to H1N1 viruses. How pre-existing immunity affects vaccine-induced antibody cross-reactivity is still not well understood. Methods: An immunological shape space of antigenic sites of hemagglutinin (HA) was constructed using viral sequence data. A Gillespie Algorithm-based model of the humoral immune system was used to simulate B cell responses to A/California/07/2009 (CA09) HA antigen after prior immunization with an antigenically similar or dissimilar strain. The effect of pre-existing memory B cells and antibody on the resulting antibody responses was interrogated. Results: We found increased levels of highly-cross-reactive antibodies after immunization with antigenically dissimilar strains. This increase was dependent on pre-existing memory B cells. Furthermore, pre-existing antibody also interfered with the cross-reactive antibody response, but this effect occurred irrespective of the priming antigen. Conclusion: These findings suggest that vaccination by divergent strains will boost highly-cross-reactive antibodies by selectively targeting memory B cells specific to conserved antigenic sites and by reducing the negative interference caused by pre-existing antibody.

Abstract Background Respiratory Syncytial Virus (RSV) disease in young children ranges from mild cold symptoms to severe symptoms that require hospitalization and sometimes result in death. Studies have shown a statistical association between RSV subtype or phylogenic lineage and RSV disease severity, although these results have been inconsistent. Associations between variation within RSV gene coding regions or residues and RSV disease severity has been largely unexplored. Methods Nasal swabs from children (< 8 months-old) infected with RSV in Rochester, NY between 1977–1998 clinically presenting with either mild or severe disease during their first cold-season were used. Whole-genome RSV sequences were obtained using overlapping PCR and next-generation sequencing. Both whole-genome phylogenetic and non-phylogenetic statistical approaches were performed to associate RSV genotype with disease severity. Results The RSVB subtype was statistically associated with disease severity. A significant association between phylogenetic clustering of mild/severe traits and disease severity was also found. GA1 clade sequences were associated with severe disease while GB1 was significantly associated with mild disease. Both G and M2-2 gene variation was significantly associated with disease severity. We identified 16 residues in the G gene and 3 in the M2-2 RSV gene associated with disease severity. Conclusion These results suggest that phylogenetic lineage and the genetic variability in G or M2-2 genes of RSV may contribute to disease severity in young children undergoing their first infection.

Abstract Respiratory Syncytial Virus (RSV) disease in newborns ranges from mild symptoms to severe disease requiring hospitalization. RSV is classified into two subtypes (RSVA and RSVB) based on antigenic and genetic differences. The role these genomic variations play in disease severity remains unknown. Genome sequences were obtained using next-generation RNA sequencing on archived frozen nasal swabs of young children (< 8 months-old) infected with RSV in Rochester, NY between 1977-1998. Samples were chosen from both children hospitalized with severe RSV disease (inpatient) and those presenting with mild symptoms (outpatient) during their first cold-season. Both A and B subtypes demonstrated significant differences in the phylogeny and primary-protein structure during this time period. We found a significant association between RSV phylogeny over this time period and disease severity. For both subtypes, the G-protein demonstrated the greatest amino acid substitutions, although the number of amino acid substitutions was higher in the RSVA subtype. We found a significant association between G-protein variation and disease severity for RSVA, but not RSVB. For both subtypes, variation in the M2-2 protein was significantly associated with disease severity. These results suggest that the genetic variability of RSV proteins may contribute to disease severity in humans. Importance Each cold-season Respiratory Syncytial Virus (RSV) infects thousands of children in the US. Some will display mild cold symptoms while others develop severe disease, sometimes resulting in lifelong lung problems or fatality. RSV initiates infection and replicates in the nasopharynx. Substitutions in the RSV genome can be found in clinically isolated nasal-swab samples of RSV infected children. Whether these genome variations contribute to severe disease is unknown. Here we found a statistically significant association between RSV phylogeny and disease severity. Furthermore, we found specific RSV proteins (G and M2-2) whose amino acid variation was statistically associated with severe disease, although which protein was associated depended on subtype. Taken together, our results suggest that RSV genotype contributed to disease severity over this time period.

Respiratory syncytial virus (RSV) is the leading cause of severe respiratory disease in infants. Other than age at the time of infection, the causes and correlates of severe illness in infants lacking known risk factors are poorly defined. We recruited a cohort of confirmed RSV-infected infants and simultaneously assayed the presence of resident airway microbiota and the molecular status of their airways using a novel method. Rigorous statistical analyses identified a molecular airway gene expression signature of severe illness dominated by excessive chemokine expression. Global 16S rRNA sequencing confirmed an association between H. influenzae and clinical severity. Interestingly, adjusting for H. influenzae in our gene expression analysis revealed an association between severity and airway lymphocyte accumulation. Exploring the relationship between airway gene expression and the time of onset of clinical symptoms revealed a robust, acute activation of interferon (IFN) signaling, which was absent in subjects with severe illness. Finally, we explored the relationship between IFN activity, airway gene expression and productive RSV infection using a novel in vitro model of bona fide pediatric human airway epithelial cells. Interestingly, blocking IFN signaling, but not IFN ligand production, in these cells leads to increased viral infection. Our data reveal that acute airway interferon responses are physiologically relevant in the context of infant RSV infection and may be a target for therapeutic intervention. Additionally, the airway gene expression signature we define may be useful as a biomarker for efficacy of intervention responses.

Abstract Background It is recommended that children receive a dose of the influenza vaccine at 6 months of age and a second dose the following season. In some years, the second dose will be the same vaccine formulation, in others years it with be re-formulated to include HA proteins derived from antigenically drifted or shifted circulating influenza strains. In addition, natural exposure to influenza can create permanent changes to the memory B cell repertoire and specificities. The effect that the specificity of pre-existing humoral immunity has on antibody levels and specificity after repeat vaccination is an ongoing research area. Methods We used a computational framework (ssMod.v1) to simulate scenarios that occurred during the 2009 influenza pandemic: children receiving a second dose who have previously exposed to the 2009 influenza HA antigen, children previously exposed to an HA antigen antigenically similar to the 2009 influenza HA antigen, and children previously exposed to an antigenically dissimilar strain. To assess the contribution of pre-existing immunity, two experimental permutations in the sMod.v1 were made: elimination of antibody-mediated antibody clearance of vaccine (HA) antigen by pre-existing antibodies and elimination of the ability of memory B cells to form germinal centers. In the simulation, 30 days after repeat vaccination antibody specificities were examined against 12 antigenically historical vaccine/HA variant influenza strains for each of the five canonical antigenic-sites and the subdominant, conserved, stalk antigenic-site. Results We found that elimination of antibody-mediated antigen clearance significantly increased antibody levels while elimination of the ability of memory B cells to form germinal center reactions significantly decreased the total antibody levels, but this was dependent on the antigenic relationship between the original vaccine and repeat vaccine and the particular antigenic-site. Moreover, highly-cross-reactive antibody was highest when the antigenic distance between original vaccine HA antigen and repeat vaccine HA antigen was larger and antibody-mediated antigen clearance was eliminated.

Abstract The ability of SARS-CoV-2 to evade antiviral immune signaling in the airway contributes to the severity of COVID-19 disease. Additionally, COVID-19 is influenced by age and has more severe presentations in older individuals. This raises questions about innate immune signaling as a function of lung development and age. Therefore, we investigated the transcriptome of different cell populations of the airway epithelium using pediatric and adult lung tissue samples from the LungMAP Human Tissue Core Biorepository. Specifically, lung lobes were digested and cultured into a biomimetic model of the airway epithelium on an air-liquid interface. Cells were then infected with SARS-CoV-2 and subjected to single-cell RNA sequencing. Transcriptional profiling and differential expression analysis were carried out using Seurat. The clustering analysis identified several cell populations: club cells, proliferating epithelial cells, multiciliated precursor cells, ionocytes, and two biologically distinct clusters of ciliated cells (FOXJ1 high and FOXJ1 low ). Interestingly, the two ciliated cell clusters showed different infection rates and enrichment of processes involved in ciliary biogenesis and function; we observed a cell-type-specific suppression of innate immunity in infected cells from the FOXJ1 low subset. We also identified a significant number of genes that were differentially expressed in lung cells derived from children as compared to adults, suggesting the differential pathogenesis of SARS-CoV-2 infection in children versus adults. We discuss how this work can be used to identify drug targets to modulate molecular signaling cascades that mediate an innate immune response and begin to understand differences in COVID-19 outcomes for pediatric vs. adult populations. Importance Viral innate immune evasion leads to uncontrolled viral spread in infected tissues and increased pathogenicity in COVID-19. Understanding the dynamic of the antiviral signaling in lung tissues may help us to understand which molecular signals lead to more severe disease in different populations, particularly considering the enhanced vulnerability of older populations. This study provides foundational insight into the age-related differences in innate immune responses to SARS-CoV-2, identifying distinct patterns of infection and molecular signaling in different cell populations of airway epithelial cells from pediatric and adult lung tissues. The findings provide a deeper understanding of age-related differences in COVID-19 pathology and pave the way for developing targeted therapies.