ABSTRACT Sialic acids (Sia) are widely displayed on the surfaces of cells and tissues. Sia come in a variety of chemically modified forms, including those with acetyl modifications at the C7, C8, and C9 positions. Here, we analyzed the distribution and amounts of these acetyl modifications in different human and canine cells. As Sia or their variant forms are receptors for influenza A and influenza C viruses, we examined the effects of these modifications on virus infections. We confirmed that 9- O -acetyl and 7,9- O -acetyl modified Sia are widely but variably expressed across cell lines from both humans and canines. While they were expressed on the cell surface of canine MDCK cell lines, they were located primarily within the Golgi compartment of human HEK-293 and A549 cells. The O -acetyl modified Sia were expressed at low levels of 1-2% of total Sia in these cell lines. We knocked out and over-expressed the sialate O -acetyltransferase gene (CasD1), and knocked out the sialate O -acetylesterase gene (SIAE) using CRISPR/Cas9 editing. Knocking out CasD1 removed 7,9- O - and 9- O -acetyl Sia expression, confirming previous reports. However, over-expression of CasD1 and knockout of SIAE gave only modest increases in 9- O -acetyl levels in cells and no change in 7,9- O -acetyl levels, indicating that there are complex regulations of these modifications. These modifications were essential for influenza C infection, but had no obvious effect on influenza A infection. IMPORTANCE Sialic acids are key glycans that are involved in many different normal cellular functions, as well as being receptors for many pathogens. However, Sia come in diverse chemically modified forms. Here we examined and manipulated the expression of 7,9- O - and 9- O -acetyl modified Sia on cells commonly used in influenza virus and other research by engineering the enzymes that produce or remove the acetyl groups.

Abstract Glycans that are abundantly displayed on vertebrate cell surface and secreted molecules are often capped with terminal sialic acids (Sias). These diverse 9-carbon-backbone monosaccharides are involved in numerous intrinsic biological processes. They also interact with commensals and pathogens, while undergoing dynamic changes in time and space, often influenced by environmental conditions. However, most of this sialoglycan complexity and variation remains poorly characterized by conventional techniques, which often tend to destroy or overlook crucial aspects of Sia diversity and/or fail to elucidate native structures in biological systems i.e., in the intact sialome. To date, in situ detection and analysis of sialoglycans has largely relied on the use of plant lectins, sialidases or antibodies, whose preferences (with certain exceptions) are limited and/or uncertain. We took advantage of naturally-evolved microbial molecules (bacterial adhesins, toxin subunits and viral hemagglutinin-esterases) that recognize sialoglycans with defined specificity to delineate 9 classes of Sialoglycan Recognizing Probes (SGRPs: SGRP1–SGRP9) that can be used to explore mammalian sialome changes in a simple and systematic manner, using techniques common in most laboratories. SGRP candidates with specificity defined by sialoglycan microarray studies were engineered as tagged probes, each with a corresponding non-binding mutant probe as a simple and reliable negative control. The optimized panel of SGRPs can be used in methods commonly available in most bioscience labs, such as ELISA, Western Blot, flow cytometry and histochemistry. To demonstrate the utility of this approach, we provide examples of sialoglycome differences in tissues from C57BL/6 wild type mice and human-like Cmah −/− mice.

ABSTRACT Cross-species virus transmission events can lead to dire public health emergencies in the form of epidemics and pandemics. One example in animals is the emergence of the H3N8 equine influenza virus (EIV), first isolated in 1963 in Miami, Florida, USA, after emerging among horses in South America. In the early 21 st century the American lineage of EIV diverged into two ‘Florida’ clades that persist today, while an EIV transferred to dogs around 1999 and gave rise to the H3N8 canine influenza virus (CIV), first reported in 2004. Here, we compare CIV in dogs and EIV in horses to reveal their host-specific evolution, to determine the sources and connections between significant outbreaks, and to gain insight into the factors controlling their different evolutionary fates. H3N8 CIV only circulated in North America, was geographically restricted after the first few years, and went extinct in 2016. Of the two EIV Florida clades, clade 1 circulates widely and shows frequent transfers between the USA and South America, Europe and elsewhere, while clade 2 was globally distributed early after it emerged, but since about 2018 has only been detected in Central Asia. Any potential zoonotic threat of these viruses to humans can only be determined with an understanding of its natural history and evolution. Our comparative analysis of these three viral lineages reveals distinct patterns and rates of sequence variation yet with similar overall evolution between clades, suggesting epidemiological intervention strategies for possible eradication of H3N8 EIV. (242 words) IMPORTANCE The emergence of viruses in new hosts is a threat to human and animal health. The H3N8 equine influenza virus (EIV) emerged in 1963 by transfer of an avian influenza virus, and the H3N8 canine influenza virus (CIV) subsequently emerged in 1999 when EIV transferred to dogs. H3N8 CIV persistently circulated in only a few locations in the USA, and has not been detected since 2016. In the same period H3N8 EIV has circulated as two separate clades, one in North America and other regions of the world, while the other currently appears to be found only in Central Asia. By comparing the hosts, epidemiology, and evolution of these influenza viruses we explain how these lineages had different evolutionary fates, and show why elucidating these evolutionary processes is key to understanding zoonotic disease and viral emergence. (137 words)

ABSTRACT The H3N2 canine influenza virus (CIV) emerged from an avian reservoir in Asia around 2004. As the virus has now been circulating entirely among dogs for 20 years, we here update our understanding of the evolution of virus in its new host. As a host-switched virus, H3N2 CIV will also reveal any host-adaptive changes arising during thousands of infections within its new host, and our analysis showed that the virus has evolved at a constant rate. CIV was first introduced into North America in 2015 from Korea, and we specifically examined the epidemiology of the virus among dogs in North America since then, including local outbreaks, regional die-outs, and repeated reintroduction from Asia. The H3N2 CIV now appears endemic only in China after dying out in South Korea around 2017. Virus lineages circulating in China appear to have seeded the most recent US outbreaks – with 2 or 3 introductions into North America during the past 3 years. Combining clinical reports, diagnostic testing data, and analysis of viral genomes we show that the virus spreads rapidly among dogs in kennels and shelters in different regions – likely dying out locally after all those animals become infected and immune. The overall epidemic therefore requires longer-distance dispersal of virus to initiate outbreaks in new locations. Patterns of spread in the USA may select viruses most adapted to those dense populations, which may lack the properties required for efficient long-distance transfers to other dog populations that would keep the virus in prolonged circulation. IMPORTANCE Viruses occasionally jump into new hosts to cause epidemics and may spread widely due to movement of humans or animals, or their viruses, with profound consequences for global health. The emergence and epidemiology of new epidemic viruses in companion animals provides a model for understanding disease dynamics and evolution. The H3N2 canine influenza virus arose from an avian virus, and infected dogs provide many opportunities for human exposure. H3N2 CIV transmission is dominated by fast-moving outbreaks within dense populations in animal shelters or kennels, while sustaining the epidemic likely requires movement of virus to more distant dog populations. Viral spread within North Americahas only been sustained for a few years at a time after which the virus dies out. The epidemiological and evolutionary dynamics of this virus in this structured host population shows how an acute respiratory pathogen can emerge and spread in a new host and population.

ABSTRACT Human and avian influenza A viruses bind to sialic acid (Sia) receptors on cells as their primary receptors, and this results in endocytic uptake of the virus. While the role of Sia on glycoproteins and/or glycolipids for virus entry is crucial, the roles of the carrier proteins are still not well understood. Furthermore, it is still unclear how receptor binding leads to infection, including whether the receptor plays a structural or other roles beyond being a simple tether. To enable the investigation of the receptor binding and cell entry processes in a more controlled manner, we have designed a protein receptor for pandemic H1 influenza A viruses. The engineered receptor possesses the binding domains of an anti-HA antibody prepared as a single chain variable fragment (scFv) fused with the stalk, transmembrane and cytoplasmic sequences of the feline transferrin receptor type-1 (fTfR). When expressed in cells that lack efficient display of Sia due to a knockout of the Slc35A1 gene which encodes for the Solute Carrier Family 35 transporter (SLC35A1), the anti-H1 receptor was displayed on the cell surface, bound virus or hemagglutinin proteins, and the virus was efficiently endocytosed into the cells. Infection occurred at similar levels to those seen after Sia reconstitution, and treatment with clathrin-mediated endocytosis (CME) inhibitors significantly reduced viral entry. IMPORTANCE. Influenza A viruses mostly circulate among avian reservoirs, and also can jump hosts to cause epidemics in mammals, including among humans. A key interaction of the viruses is with host cell Sia, which vary in chemical form, in their linkages within the oligosaccharide, and in the attachment to surface glycoproteins or glycolipids with different properties. Here we report a new method for examining the processes of receptor binding and uptake into cells during influenza A virus infection, by use of an engineered HA-binding membrane glycoprotein, where an antibody is used as the binding domain and the transferrin receptor uptake structures mediate efficient entry, which should allow us to test and manipulate the processes of cell binding, entry, and infection.

Sialic acids (Sia) are the primary receptors for influenza viruses, and are widely displayed on cell surfaces and in secreted mucus. Sia may be present in variant forms that include O -acetyl modifications at C4, C7, C8, and C9 positions, and N-acetyl or N-glycolyl at C5. They can also vary in their linkages, including a2-3 or a2-6-linkages. Here, we analyzed the distribution of modified Sia in cells and tissues of wild-type mice, or in mice lacking cytidine 5'-monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase (CMAH) enzyme that synthesizes N-glycolyl modifications (Neu5Gc). We also examined the variation of Sia forms on erythrocytes and saliva from different animals. To determine the effect of Sia modifications on influenza A virus (IAV) infection, we tested for effects on hemagglutinin (HA) binding and neuraminidase (NA) cleavage. We confirmed that 9- O -acetyl, 7,9- O -acetyl, 4- O -acetyl, and Neu5Gc modifications are widely but variably expressed in mouse tissues, with the highest levels detected in the respiratory and gastrointestinal tracts. Secreted mucins in saliva and surface proteins of erythrocytes showed a great degree of variability in display of modified Sia between different species. IAV HA from different virus strains showed consistently reduced binding to both Neu5Gc and O-acetyl modified Sia; however, while IAV NA were inhibited by Neu5Gc and O -acetyl modifications, there was significant variability between NA types. The modifications of Sia in mucus may therefore have potent effects on the functions of IAV, and may affect both pathogens and the normal flora of different mucosal sites.

Canine parvovirus (CPV) is a small non-enveloped single-stranded DNA virus that causes serious diseases in dogs worldwide. The original strain of the virus (CPV-2) emerged in dogs during the late-1970s due to a host range switch of a virus similar to the feline panleukopenia virus (FPV) that infected another host. The virus that emerged in dogs had altered capsid receptor- and antibody-binding sites, with some changes affecting both functions. Further receptor and antibody binding changes arose when the virus became better adapted to dogs or to other hosts. Here, we use in vitro selection and deep sequencing to reveal how two antibodies with known interactions select for escape mutations in CPV. The antibodies bind two distinct epitopes, and one largely overlaps the host receptor binding site. We also engineered antibody variants with altered binding structures. Viruses were passaged with the wild type or mutated antibodies, and their genomes deep sequenced during the selective process. A small number of mutations were detected only within the capsid protein gene during the first few passages of selection, and most sites remained polymorphic or were slow to go to fixation. Mutations arose both within and outside the antibody binding footprints on the capsids, and all avoided the TfR-binding footprint. Many selected mutations matched those that have arisen in the natural evolution of the virus. The patterns observed reveal the mechanisms by which these variants have been selected in nature and provide a better understanding of the interactions between antibody and receptor selections.Antibodies protect animals against infection by many different viruses and other pathogens, and we are gaining new information about the epitopes that induce antibody responses against viruses and the structures of the bound antibodies. However, less is known about the processes of antibody selection and antigenic escape and the constraints that apply in this system. Here, we use an in vitro model system and deep genome sequencing to reveal the mutations that arise in the virus genome during selection by each of two monoclonal antibodies or their engineered variants. High-resolution structures of each of the Fab: capsid complexes revealed their binding interactions. The engineered forms of the wild-type antibodies or mutant forms allowed us to examine how changes in antibody structure influence the mutational selection patterns seen in the virus. The results shed light on the processes of antibody binding, neutralization escape, and receptor binding, and likely have parallels for many other viruses.

New methods for deep sequence analysis provide an opportunity to follow the emergence and dynamics of virus mutations in real time. Although viruses are commonly grown in cell culture for research and for vaccine development, the cells used to grow the virus are often not derived from the same tissue or even the same host that the virus naturally replicates in. The selective pressures of culturing virus in vitro are still only partially understood. MDCK cells are the standard cell for growing influenza viruses yet are derived from the epithelium of the canine kidney and are also heterogenous. We passaged human H3N2, H1N1 pandemic, and canine H3N2 influenza A viruses (IAV) in different lineages of MDCK cells, as well as lines engineered to express variant Sia receptors, including α2,3- and α2,6-linkages or N -glycolylneuraminic acid (Neu5Gc) or N -acetylneuraminic acid (Neu5Ac) forms. MDCK-Type II cells had lower infection efficiency and virus production, and infection appeared more dependent on protease activation of the virus. When viruses were passaged in the different cells, they exhibited only small numbers of consensus-level mutations, and most were within the HA gene. Both human IAVs showed selection for single nucleotide minority variants in the HA stem across cell types, as well as low frequency variants in the HA receptor binding site of virus passaged in cells expressing Neu5Gc. Canine H3N2 also showed minority variants near the receptor-binding site in cells expressing Neu5Gc and also in those expressing α2,6-linkages.

Influenza A viruses have regularly jumped to new hosts to cause epidemics or pandemics, an evolutionary process that involves variation in the viral traits necessary to overcome host barriers and facilitate transmission. Mice are not a natural host for influenza virus, but are frequently used as models in studies of pathogenesis, often after multiple passages to achieve higher viral titers that result in clinical disease such as weight loss or death. Here we examine the processes of influenza A virus infection and evolution in mice by comparing deep sequence variation of a human H1N1 pandemic virus, a seasonal H3N2 virus, and a H3N2 canine influenza virus during experimental passage. We also compared replication and sequence variation in wild-type mice expressing N-glycolylneuraminic acid (Neu5Gc) with that seen in mice expressing only N-acetylneuraminic acid (Neu5Ac). Viruses derived from plasmids were propagated in MDCK cells and then passaged in mice up to four times. Full genome deep sequencing of the plasmids, cultured viruses, and viruses from mice at various passages revealed only small numbers of mutational changes. The H3N2 canine influenza virus showed increases in frequency of sporadic mutations in the PB2, PA, and NA segments. The H1N1 pandemic virus grew well in mice, and while it exhibited the maintenance of some minority mutations, there was no clear adaptive evolution. The H3N2 seasonal virus did not establish in the mice. Finally, there were no clear sequence differences associated with the presence or absence of Neu5Gc.