Abstract Superspreading events shape the COVID-19 pandemic. Here we provide a national-scale analysis of SARS-CoV-2 outbreaks in Austria, a country that played a major role for virus transmission across Europe and beyond. Capitalizing on a national epidemiological surveillance system, we performed deep whole-genome sequencing of virus isolates from 576 samples to cover major Austrian SARS-CoV-2 clusters. Our data chart a map of early viral spreading in Europe, including the path from low-frequency mutations to fixation. Detailed epidemiological surveys enabled us to calculate the effective SARS-CoV-2 population bottlenecks during transmission and unveil time-resolved intra-patient viral quasispecies dynamics. This study demonstrates the power of integrating deep viral genome sequencing and epidemiological data to better understand how SARS-CoV-2 spreads through populations. Graphical Abstract

Solute Carriers (SLCs) represent the largest family of human transporter proteins, consisting of more than 400 members 1,2 . Despite the importance of these proteins in determining metabolic states and adaptation to environmental changes, a large proportion of them is still orphan and lacks associated substrates 1,3,4 . Here we describe a systematic mapping of genetic interactions among SLCs in human cells. Network-based identification of correlated genetic interaction profile neighborhoods resulted in initial functional assignments to dozens of previously uncharacterized SLCs. Focused validation identified SLC25A51/MCART1 as the SLC enabling mitochondrial import of NAD(H). This functional interaction map of the human transportome offers a route for systematic integration of transporter function with metabolism and provides a blueprint for elucidation of the dark genome by biochemical and functional categories.

SUMMARY Metabolic adaptation to changing demands underlies homeostasis. During inflammation or metastasis, cells leading migration into challenging environments require an energy boost, however what controls this capacity is unknown. We identify a previously unstudied nuclear protein, Atossa, as changing metabolism in Drosophila melanogaster immune cells to promote tissue invasion. Atossa’s vertebrate orthologs, FAM214A-B, can fully substitute for Atossa, indicating functional conservation from flies to mammals. Atossa increases mRNA levels of Porthos, an unstudied RNA helicase and two metabolic enzymes, LKR/SDH and GR/HPR. Porthos increases translation of a gene subset, including those affecting mitochondrial functions, the electron transport chain, and metabolism. Respiration measurements and metabolomics indicate that Atossa and Porthos powers up mitochondrial oxidative phosphorylation to produce sufficient energy for leading macrophages to forge a path into tissues. As increasing oxidative phosphorylation enables many crucial physiological responses, this unique genetic program may modulate a wide range of cellular behaviors beyond migration.

Abstract Objective 24-Nor-ursodeoxycholic acid (NorUDCA) is a novel therapeutic bile acid for treating primary sclerosing cholangitis (PSC), an immune-mediated cholestatic liver disease. Since PSC strongly associates with inflammatory bowel diseases (IBD) driven by T H 17/Treg imbalance, we aimed to explore NorUDCA’s immunomodulatory potential on intestinal T H 17/Treg balance. Design NorUDCA’s impact on T H 17/Treg tissue distribution was first assessed in Mdr2 –/– mouse model of PSC. We specifically investigated NorUDCA’s effect on modulating T H 17/Treg balance in a CD4 + T cell driven colitis model induced by adoptive transfer of CD25 − CD44 low CD45RB high CD4 + T Naïve cells into Rag2 –/– mice, mimicking human IBD. Mechanistic studies were performed using molecular approaches, flow cytometry and metabolic assays in murine T H 17 cells in vitro . NorUDCA’s signaling effects observed in murine system were further validated in circulating CD4 + T cells from PSC patients with co-existing IBD. Results NorUDCA promoted Treg generation in both liver and intestine in the Mdr2 –/– model. In the experimental IBD model, NorUDCA attenuated intestinal immunopathology. Mechanistically, NorUDCA demonstrated strong immunomodulatory efficacy in counteracting T H 17/Treg imbalance by restricting glutaminolysis in differentiating T H 17 cells, thus suppressed α-Ketoglutarate-dependent mTORC1 activation, glycolysis and enhanced FOXP3 expression. NorUDCA’s impact on mTORC1 signaling was further confirmed in circulating CD4 + T-cells from PSC patients with IBD. Conclusion NorUDCA possesses direct immunometabolic modulatory potency to counteract T H 17/Treg imbalance and ameliorate excessive T H 17 cell driven intestinal immunopathology. These findings extend future clinical applications of NorUDCA for treatment of T H 17 cell-mediated disorders along the gut-liver axis and beyond. Significance of this study What is already known on this subject? PSC is an immune-mediated cholestatic liver disease highly associated with IBD where T H 17/Treg imbalance drives immunopathogenesis; seeking effective therapeutics covering both liver and intestinal disease in PSC is of high clinical relevance. Independent of anti-cholestatic effects, NorUDCA has recently been shown to possess direct immunomodulatory properties on CD8 + T cell metabolism, lymphoblastogenesis and clonal expansion through targeting mTORC1 signaling. Since mTORC1 serves as critical metabolic checkpoint orchestrating T H 17/Treg axis, inhibiting mTORC1 activity represents a potential treatment avenue counteracting T H 17/Treg imbalance under intestinal inflammatory conditions. What are the new findings? NorUDCA enriches FOXP3 + Treg population in both liver and intestinal tissue in the cholestatic Mdr2 –/– mouse model of PSC. NorUDCA exhibits direct immunomodulatory efficacies in suppressing excess T H 17 cell-mediated intestinal immunopathology and promotes FOXP3 + Treg generation in an experimental IBD model. Mechanistically, NorUDCA counteracts T H 17/Treg imbalance by restricting glutaminolysis in differentiating T H 17 cells, thus suppresses α-Ketoglutarate-dependent mTORC1 activation, glycolysis and enhances FOXP3 expression. NorUDCA’s impact on mTORC1 signaling was further confirmed in circulating CD4 + T cells from patients with PSC and IBD. How might it impact on clinical practice in the foreseeable future? These findings advance our current understanding of therapeutic potentials of NorUDCA, which might represent a novel therapeutic strategy in the treatment of PSC and concomitant IBD and other T H 17-mediated intestinal diseases.

Abstract Background & Aims 24-NorUrsodeoxycholic acid (NorUDCA) is novel therapy for immune-mediated liver diseases such as primary sclerosing cholangitis (PSC) where dysregulated T cells including CD8 + T cells cause liver immunopathology. We hypothesized that NorUDCA may directly modulate CD8 + T cell effector function thus contributing to its therapeutic efficacy independent of anti-cholestatic effects. Methods NorUDCA effects on CD8 + T cell function in vivo were investigated in a hepatic injury model system induced by excessive CD8 + T cell immune response upon non-cytolytic lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) infection. Mechanistic studies included molecular and biochemical approaches, flow cytometry and metabolic assays in mouse CD8 + T cells in vitro . Mass spectrometry (MS) was used to identify potential targets modulated by NorUDCA in CD8 + T cells. NorUDCA signaling effects observed in murine systems were validated in peripheral T cells from healthy volunteers and PSC patients. Results In vivo NorUDCA ameliorated hepatic injury and systemic inflammation upon LCMV infection. Mechanistically, NorUDCA demonstrated a strong immunomodulatory efficacy in CD8 + T cells affecting lymphoblastogenesis, mTORC1 signaling and glycolysis of CD8 + T cells. With MS, we identified that NorUDCA regulates CD8 + T cells via targeting mTORC1. NorUDCA’s impact on mTORC1 signaling was further confirmed in circulating human CD8 + T cells. Conclusions NorUDCA possesses a yet-unrecognized direct modulatory potency on CD8 + T cells and attenuates excessive CD8 + T cell hepatic immunopathology. These findings may be relevant for treatment of immune-mediated liver diseases such as PSC and beyond.

Summary Despite tremendous progress in the understanding of COVID-19, mechanistic insight into immunological, disease-driving factors remains limited. We generated maVie16 , a mouse-adapted SARS-CoV-2, by serial passaging of a human isolate. In silico modelling revealed how Spike mutations of maVie16 enhanced interaction with murine ACE2. MaVie16 induced profound pathology in BALB/c and C57BL/6 mice and the resulting mouse COVID-19 ( mCOVID-19 ) replicated critical aspects of human disease, including early lymphopenia, pulmonary immune cell infiltration, pneumonia and specific adaptive immunity. Inhibition of the proinflammatory cytokines IFNγ and TNF substantially reduced immunopathology. Importantly, genetic ACE2-deficiency completely prevented mCOVID-19 development. Finally, inhalation therapy with recombinant ACE2 fully protected mice from mCOVID-19 , revealing a novel and efficient treatment. Thus, we here present maVie16 as a new tool to model COVID-19 for the discovery of new therapies and show that disease severity is determined by cytokine-driven immunopathology and critically dependent on ACE2 in vivo . Key points The mouse-adapted SARS-CoV-2 strain maVie16 causes fatal disease in BALB/c mice and substantial inflammation, pneumonia and immunity in C57BL/6 mice TNFα/IFNγ blockade ameliorates maVie16 -induced immunopathology MaVie16 infection depends on ACE2 and soluble ACE2 inhalation can prevent disease

Infections induce complex host responses linked to antiviral defense, inflammation and tissue damage and repair. These processes are increasingly understood to involve systemic metabolic reprogramming. We hypothesized that the liver as a central metabolic hub may orchestrate many of these changes during infection. Thus, we investigated the systemic interplay between inflammation and metabolism in a mouse model of chronic viral infection and hepatitis. Here we show that virus-induced type I interferon (IFN-I) modulates wide-spread metabolic alterations of the liver in a hepatocyte-intrinsic Ifnar1-dependent way. Specifically, IFN-I repressed the transcription of numerous genes with metabolic function including Otc and Ass1, which encode enzymes of the urea cycle. This led to decreased arginine and increased ornithine concentrations in the circulation, resulting in suppressed virus-specific CD8 T cell responses and ameliorated liver pathology. These findings establish IFN-I-induced modulation of hepatic metabolism and the urea cycle as an endogenous mechanism of immunoregulation.

Abstract Methylation of cytosines is the prototypic epigenetic modification of the DNA. It has been implicated in various regulatory mechanisms throughout the animal kingdom and particularly in vertebrates. We mapped DNA methylation in 580 animal species (535 vertebrates, 45 invertebrates), resulting in 2443 genome-scale, base-resolution DNA methylation profiles of primary tissue samples from various organs. Reference-genome independent analysis of this comprehensive dataset quantified the association of DNA methylation with the underlying genomic DNA sequence throughout vertebrate evolution. We observed a broadly conserved link with two major transitions – once in the first vertebrates and again with the emergence of reptiles. Cross-species comparisons focusing on individual organs supported a deeply conserved association of DNA methylation with tissue type, and cross-mapping analysis of DNA methylation at gene promoters revealed evolutionary changes for orthologous genes with conserved DNA methylation patterns. In summary, this study establishes a large resource of vertebrate and invertebrate DNA methylomes, it showcases the power of reference-free epigenome analysis in species for which no reference genomes are available, and it contributes an epigenetic perspective to the study of vertebrate evolution.

Abstract CD8+ T cell immunity to SARS-CoV-2 has been implicated in COVID-19 severity and virus control, though direct evidence has been lacking so far. Here, we identified non-synonymous mutations in MHC-I restricted CD8+ T cell epitopes after deep sequencing of 747 SARS-CoV- 2 virus isolates. Mutant peptides exhibited diminished or abrogated MHC-I binding, which was associated with a loss of recognition and functional responses by CD8+ T cells isolated from HLA-matched COVID-19 patients. Our findings highlight the capacity of SARS-CoV-2 to subvert CD8+ T cell surveillance through escape mutations in MHCI-restricted viral epitopes. This provides evolutionary evidence for CD8+ T cell immunity controlling SARS-CoV-2 with consequences for COVID-19 vaccine design.

The marsupial Tasmanian devil (Sarcophilus harrisii) faces extinction due to transmissible devil facial tumor disease (DFTD). To unveil the molecular underpinnings of DFTD, we designed an approach that combines sensitivity to drugs with an integrated systems-biology characterization. Sensitivity to inhibitors of the ERBB family of receptor tyrosine kinases correlated with their overexpression, suggesting a causative link. Proteomic and DNA methylation analyses revealed tumor-specific signatures linked to oncogenic signaling hubs including evolutionary conserved STAT3. Indeed, ERBB inhibition blocked phosphorylation of STAT3 and arrested cancer cells. Pharmacological blockade of ERBB signaling prevented tumor growth in a xenograft model and resulted in recovery of MHC class I gene expression. This link between the hyperactive ERBB-STAT3 axis and MHC class I mediated tumor immunosurveillance provides mechanistic insights into horizontal transmissibility and led us to the proposition of a dual chemo-immunotherapeutic strategy to save Tasmanian devils from DFTD.