The ongoing Zika virus (ZIKV) epidemic and unexpected clinical outcomes, including Guillain-Barré syndrome and birth defects, has brought an urgent need for animal models. We evaluated infection and pathogenesis with contemporary and historical ZIKV strains in immunocompetent mice and mice lacking components of the antiviral response. Four- to six-week-old Irf3(-/-)Irf5(-/-)Irf7(-/-) triple knockout mice, which produce little interferon α/β, and mice lacking the interferon receptor (Ifnar1(-/-)) developed neurological disease and succumbed to ZIKV infection, whereas single Irf3(-/-), Irf5(-/-), and Mavs(-/-) knockout mice exhibited no overt illness. Ifnar1(-/-) mice sustained high viral loads in the brain and spinal cord, consistent with evidence that ZIKV causes neurodevelopmental defects in human fetuses. The testes of Ifnar1(-/-) mice had the highest viral loads, which is relevant to sexual transmission of ZIKV. This model of ZIKV pathogenesis will be valuable for evaluating vaccines and therapeutics as well as understanding disease pathogenesis.

Turning viral persistence on and off Norovirus causes >90% of the world's gastroenteritis. Norovirus can establish persistent infections, which may contribute to its spread. How does norovirus establish itself as a permanentw resident of the gut and how can such persistent infections be cured (see the Perspective by Wilks and Golovkina)? Baldridge et al. studied mice persistently infected with norovirus and found that viral persistence required the gut microbiota: resident bacteria in the gastrointestinal tract. Antibiotics prevented persistent mouse norovirus infection in a way that depended on the secreted antiviral protein interferon λ (IFN-λ). Nice et al. report that IFN-λ can cure mice persistently infected with norovirus, independent of the adaptive immune system. Science , this issue p. 266 , p. 269 ; see also p. 233

Although the transcription factors IRF-3 and IRF-7 are considered master regulators of type I interferon (IFN) induction and IFN stimulated gene (ISG) expression, Irf3−/−×Irf7−/− double knockout (DKO) myeloid dendritic cells (mDC) produce relatively normal levels of IFN-β after viral infection. We generated Irf3−/−×Irf5−/−×Irf7−/− triple knockout (TKO) mice to test whether IRF-5 was the source of the residual induction of IFN-β and ISGs in mDCs. In pathogenesis studies with two unrelated positive-sense RNA viruses (West Nile virus (WNV) and murine norovirus), TKO mice succumbed at rates greater than DKO mice and equal to or approaching those of mice lacking the type I IFN receptor (Ifnar−/−). In ex vivo studies, after WNV infection or exposure to Toll-like receptor agonists, TKO mDCs failed to produce IFN-β or express ISGs. In contrast, this response was sustained in TKO macrophages following WNV infection. To define IRF-regulated gene signatures, we performed microarray analysis on WNV-infected mDC from wild type (WT), DKO, TKO, or Ifnar−/− mice, as well as from mice lacking the RIG-I like receptor adaptor protein MAVS. Whereas the gene induction pattern in DKO mDC was similar to WT cells, remarkably, almost no ISG induction was detected in TKO or Mavs−/− mDC. The relative equivalence of TKO and Mavs−/− responses suggested that MAVS dominantly regulates ISG induction in mDC. Moreover, we showed that MAVS-dependent induction of ISGs can occur through an IRF-5-dependent yet IRF-3 and IRF-7-independent pathway. Our results establish IRF-3, -5, and -7 as the key transcription factors responsible for mediating the type I IFN and ISG response in mDC during WNV infection and suggest a novel signaling link between MAVS and IRF-5.

ABSTRACT Powassan virus (POWV) is an emerging tick-borne flavivirus that causes neuroinvasive disease, including encephalitis, meningitis, and paralysis. Similar to other neuroinvasive flaviviruses, such as West Nile virus (WNV) and Japanese encephalitis virus (JEV), POWV disease presentation is heterogeneous, and the factors influencing disease outcome are not fully understood. We used Collaborative Cross (CC) mice to assess the impact of host genetic factors on POWV pathogenesis. We infected a panel of Oas1b -null CC lines with POWV and observed a range of susceptibility phenotypes, indicating that host factors other than the well-characterized flavivirus restriction factor Oas1b modulate POWV pathogenesis in CC mice. Among Oas1b -null CC lines, we identified multiple highly susceptible lines (0% survival), including CC071, and a single resistant line (78% survival), CC045. Susceptibility phenotypes generally were concordant among neuroinvasive flaviviruses, although we identified one line, CC006, that was resistant specifically to JEV, suggesting that both pan-flavivirus and virus-specific mechanisms contribute to susceptibility phenotypes in CC mice. We found that POWV replicated to higher titers in bone marrow-derived macrophages from CC071 mice compared to CC045 mice, suggesting that resistance could result from cell-intrinsic restriction of viral replication. Although serum viral loads at 2 days post-infection were equivalent between CC071 and CC045 mice, clearance of POWV from the serum was significantly slower in CC071 mice. Furthermore, CC045 mice had significantly lower viral loads in the brain at 7 days post-infection compared to CC071 mice, suggesting that reduced CNS infection contributes to the resistant phenotype of CC045 mice. IMPORTANCE Neuroinvasive flaviviruses, such as WNV, JEV, and POWV, are transmitted to humans by mosquitoes or ticks, can cause neurologic disease, such as encephalitis, meningitis, and paralysis, and can result in death or long-term sequelae. Although potentially severe, neuroinvasive disease is a rare outcome of flavivirus infection. The factors that determine whether someone develops severe disease after flavivirus infection are not fully understood, but host genetic differences in polymorphic antiviral response genes likely contribute to disease outcome. We evaluated a panel of genetically diverse mice and identified lines with distinct outcomes following infection with POWV. We found that resistance to POWV pathogenesis corresponded to reduced viral replication in macrophages, more rapid clearance of virus in peripheral tissues, and reduced viral infection in the brain. These susceptible and resistant mouse lines will provide a system for investigating the pathogenic mechanisms of POWV and identifying polymorphic host genes that contribute to resistance.

ABSTRACT Zika virus (ZIKV) is unusual among flaviviruses in its ability to spread between humans through sexual contact, as well as by mosquitoes. Sexual transmission has the potential to change the epidemiology and geographic range of ZIKV compared to mosquito-borne transmission and potentially could produce distinct clinical manifestations, so it is important to understand the host mechanisms that control susceptibility to sexually transmitted ZIKV. ZIKV replicates poorly in wild-type mice following subcutaneous inoculation, so most ZIKV pathogenesis studies use mice lacking IFN-αβ signaling (e.g. Ifnar1 -/- ). However, we found that wild-type mice support ZIKV replication following intravaginal infection, although the infection remained localized to the lower female reproductive tract. Vaginal replication was not a unique property of ZIKV, as other flaviviruses that generally are restricted in wild-type mice also were able to replicate in the vagina. Vaginal ZIKV infection required a high-progesterone state (pregnancy or pre-treatment with depot medroxyprogesterone acetate (DMPA)), identifying a key role for hormonal status in susceptibility to vaginal infection. Progesterone-mediated susceptibility did not appear to result from a compromised epithelial barrier, blunted antiviral gene induction, or changes in vaginal leukocyte populations, leaving open the mechanism by which progesterone confers susceptibility to vaginal ZIKV infection. Progesterone treatment is a key component of mouse vaginal infection models for herpes simplex virus and Chlamydia , but the mechanisms by which DMPA increases susceptibility to those pathogens also remain poorly defined. Understanding how progesterone mediates susceptibility to ZIKV vaginal infection may provide insights into host mechanisms influencing susceptibility to diverse sexually transmitted pathogens. IMPORTANCE Zika virus (ZIKV) is transmitted by mosquitoes, similarly to other flaviviruses. However, ZIKV is unusual in its ability also to spread through sexual transmission. We found that ZIKV was able to replicate in the vaginas of wild-type mice, even though these mice do not support ZIKV replication by other routes, suggesting that the vagina is particularly susceptible to ZIKV infection. Vaginal susceptibility was dependent on a high progesterone state, which is a common feature of mouse vaginal infection models for other pathogens, through mechanisms that have remained poorly defined. Understanding how progesterone mediates susceptibility to ZIKV vaginal infection may provide insights into host mechanisms that influence susceptibility to diverse sexually transmitted pathogens.

ABSTRACT Interferon lambda (IFN-λ, type III IFN) is constitutively secreted from human placental cells in culture and reduces Zika virus (ZIKV) transplacental transmission in mice. However, the roles of IFN-λ during healthy pregnancy and in restricting congenital infection remain unclear. Here we used mice lacking the IFN-λ receptor ( Ifnlr1 -/- ) to generate pregnancies lacking either maternal or fetal IFN-λ responsiveness and found that the antiviral effect of IFN-λ resulted from signaling exclusively in maternal tissues. This protective effect depended on gestational stage, as infection earlier in pregnancy (E7 rather than E9) resulted in enhanced transplacental transmission of ZIKV. In Ifnar1 -/- dams, which sustain robust ZIKV infection, maternal IFN-λ signaling caused fetal resorption and intrauterine growth restriction. Pregnancy pathology elicited by poly(I:C) treatment also was mediated by maternal IFN-λ signaling, specifically in maternal leukocytes, and also occurred in a gestational stage-dependent manner. These findings identify an unexpected effect of IFN-λ signaling specifically in maternal (rather than placental or fetal) tissues, which is distinct from the pathogenic effects of IFN-αβ (type I IFN) during pregnancy. These results highlight the complexity of immune signaling at the maternal-fetal interface, where disparate outcomes can result from signaling at different gestational stages. IMPORTANCE Pregnancy is an immunologically complex situation, which must balance protecting the fetus from maternal pathogens with preventing maternal immune rejection of non-self fetal and placental tissue. Cytokines, such as interferon lambda (IFN-λ), contribute to antiviral immunity at the maternal-fetal interface. We found in a mouse model of congenital Zika virus infection that IFN-λ can have either a protective antiviral effect or cause immune-mediated pathology, depending on the stage of gestation when IFN-λ signaling occurs. Remarkably, both the protective and pathologic effects of IFN-λ occurred through signaling exclusively in maternal immune cells, rather than in fetal or placental tissues, or in other maternal cell types, identifying a new role for IFN-λ at the maternal-fetal interface.

Summary Congenital Zika virus (ZIKV) infection results in neurodevelopmental deficits in up to 14% of infants born to ZIKV-infected mothers. Neutralizing antibodies are a critical component of protective immunity. Here, we demonstrate that plasma IgM responses contribute to ZIKV immunity in pregnancy, mediating neutralization up to three months post symptoms. From a ZIKV-infected pregnant woman, we established a B cell line secreting a pentameric ZIKV-specific IgM (DH1017.IgM) that exhibited ultrapotent ZIKV neutralization dependent on the IgM isotype. DH1017.IgM targets a novel envelope dimer epitope within Domain II. The arrangement of this epitope on the virion is compatible with concurrent engagement of all ten antigen-binding sites of DH1017.IgM, a solution not achievable by IgG antibodies. DH1017.IgM protected against lethal ZIKV challenge in mice. Our findings identify a unique role of antibodies of the IgM isotype in protection against ZIKV and posit DH1017.IgM as a safe and effective candidate immunoprophylactic, particularly during pregnancy. Key points Plasma IgM contributes to early ZIKV neutralization during pregnancy Ultrapotent neutralization by pentameric DH1017.IgM mAb depends on isotype DH1017.IgM can engage all binding sites concurrently through different angles of approach DH1017.IgM protects mice against lethal ZIKV challenge

The 2015-2016 emergence of Zika virus (ZIKV) in the Americas, and recognition that ZIKV infection during pregnancy can result in birth defects, revealed a need for small animal models to study ZIKV pathogenic mechanisms and evaluate candidate vaccines and antivirals. Mice would be an attractive system for such studies, but ZIKV replicates poorly in laboratory mice because it fails to antagonize murine STAT2 and STING. To address this, most ZIKV pathogenesis studies have used mice with impaired interferon signaling (e.g. Ifnar1-/- or treatment with IFNAR1-blocking antibodies). However, using mice with severe defects in innate antiviral signaling confounds studies of viral pathogenic mechanisms. Collaborative Cross (CC) mice have proven to be a valuable system for developing new mouse pathogenesis models for viral infections that are not well modeled in conventional laboratory mouse lines. To test whether CC mice could provide an immune-competent model for ZIKV pathogenesis, we infected CC lines with ZIKV and assessed weight loss, viremia, and production of neutralizing antibodies. We tested 21 CC lines (CC001, CC002, CC003, CC004, CC005, CC006, CC011, CC012, CC013, CC019, CC024, CC028, CC040, CC041, CC042, CC046, CC051, CC059, CC061, CC068, and CC072, 13 of which have non-functional alleles of the flavivirus restriction factor Oas1b) and 3 ZIKV strains (MR766, H/PF/2013, and a mouse-adapted variant of Dakar 41525). ZIKV infection did not induce weight loss compared to mock-infected controls and accordingly only low levels of viral RNA were detected in serum. Only a subset of mice developed neutralizing antibodies to ZIKV, likely due to overall low levels of infection and viremia. Our results are consistent with other studies demonstrating poor ZIKV infection in interferon-intact mice and suggest that the tested CC lines do not include polymorphic host genes that greatly increase susceptibility to ZIKV infection.

Type III interferons (IFN-λ) are antiviral and immunomodulatory cytokines that have been best characterized in respiratory and gastrointestinal infections, but the effects of IFN-λ against skin infections have not been extensively investigated. We sought to define the skin-specific effects of IFN-λ against the highly prevalent human pathogen herpes simplex virus (HSV). We infected mice lacking the IFN-λ receptor (Ifnlr1-/-), both the IFN-λ and the IFN-αβ receptor (Ifnar1-/- Ifnlr1-/-), or IFN-λ cytokines (Ifnl2/3-/-) and found that IFN-λ restricts the severity of HSV-1 and HSV-2 skin lesions, independent of a direct effect on viral load. Using conditional knockout mice, we found that IFN-λ signaling in both keratinocytes and neutrophils was necessary to control HSV-1 skin lesion severity, and that IFN-λ signaling in keratinocytes suppressed CXCL9-mediated neutrophil recruitment to the skin. Furthermore, depleting neutrophils or blocking CXCL9 protected against severe HSV-1 skin lesions in Ifnlr1-/- mice. Altogether, our results suggest that IFN-λ plays an immunomodulatory role in the skin that restricts neutrophil-mediated pathology during HSV infection, and suggest potential applications for IFN-λ in treating viral skin infections.

Abstract We currently have an incomplete understanding of why only a fraction of human antibodies that bind to flaviviruses block infection of cells. Here we define the footprint of a strongly neutralizing human monoclonal antibody (mAb G9E) with Zika virus (ZIKV) by both X-ray crystallography and cryo-electron microscopy. Flavivirus envelope (E) glycoproteins are present as homodimers on the virion surface, and G9E bound to a quaternary structure epitope spanning both E protomers forming a homodimer. As G9E mainly neutralized ZIKV by blocking a step after viral attachment to cells, we tested if the neutralization mechanism of G9E was dependent on the mAb cross-linking E molecules and blocking low-pH triggered conformational changes required for viral membrane fusion. We introduced targeted mutations to the G9E paratope to create recombinant antibodies that bound to the ZIKV envelope without cross-linking E protomers. The G9E paratope mutants that bound to a restricted epitope on one protomer poorly neutralized ZIKV compared to the wild-type mAb, demonstrating that the neutralization mechanism depended on the ability of G9E to cross-link E proteins. In cell-free low pH triggered viral fusion assay, both wild-type G9E, and epitope restricted paratope mutant G9E bound to ZIKV but only the wild-type G9E blocked fusion. We propose that, beyond antibody binding strength, the ability of human antibodies to cross-link E-proteins is a critical determinant of flavivirus neutralization potency.