Abstract Fast and reliable detection of patients with severe and heterogeneous illnesses is a major goal of precision medicine 1,2 . Patients with leukaemia can be identified using machine learning on the basis of their blood transcriptomes 3 . However, there is an increasing divide between what is technically possible and what is allowed, because of privacy legislation 4,5 . Here, to facilitate the integration of any medical data from any data owner worldwide without violating privacy laws, we introduce Swarm Learning—a decentralized machine-learning approach that unites edge computing, blockchain-based peer-to-peer networking and coordination while maintaining confidentiality without the need for a central coordinator, thereby going beyond federated learning. To illustrate the feasibility of using Swarm Learning to develop disease classifiers using distributed data, we chose four use cases of heterogeneous diseases (COVID-19, tuberculosis, leukaemia and lung pathologies). With more than 16,400 blood transcriptomes derived from 127 clinical studies with non-uniform distributions of cases and controls and substantial study biases, as well as more than 95,000 chest X-ray images, we show that Swarm Learning classifiers outperform those developed at individual sites. In addition, Swarm Learning completely fulfils local confidentiality regulations by design. We believe that this approach will notably accelerate the introduction of precision medicine.

We have developed an approach to identify microRNAs (miRNAs) that is based on bioinformatics and array-based technologies, without the use of cDNA cloning. The approach, designed for use on genomes of small size (<2 Mb), was tested on cells infected by either of two lymphotropic herpesviruses, KSHV and EBV. The viral genomes were scanned computationally for pre-miRNAs using an algorithm (VMir) we have developed. Candidate hairpins suggested by this analysis were then synthesized as oligonucleotides on microarrays, and the arrays were hybridized with small RNAs from infected cells. Candidate miRNAs that scored positive on the arrays were then subjected to confirmatory Northern blot analysis. Using this approach, 10 of the known KSHV pre-miRNAs were identified, as well as a novel pre-miRNA that had earlier escaped detection. This method also led to the identification of seven new EBV-encoded pre-miRNAs; by using additional computational approaches, we identified a total of 18 new EBV pre-miRNAs that produce 22 mature miRNA molecules, thereby more than quadrupling the total number of hitherto known EBV miRNAs. The advantages and limitations of the approach are discussed.

Abstract Here, as part of the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium, for which whole-genome and—for a subset—whole-transcriptome sequencing data from 2,658 cancers across 38 tumor types was aggregated, we systematically investigated potential viral pathogens using a consensus approach that integrated three independent pipelines. Viruses were detected in 382 genome and 68 transcriptome datasets. We found a high prevalence of known tumor-associated viruses such as Epstein–Barr virus (EBV), hepatitis B virus (HBV) and human papilloma virus (HPV; for example, HPV16 or HPV18). The study revealed significant exclusivity of HPV and driver mutations in head-and-neck cancer and the association of HPV with APOBEC mutational signatures, which suggests that impaired antiviral defense is a driving force in cervical, bladder and head-and-neck carcinoma. For HBV, HPV16, HPV18 and adeno-associated virus-2 (AAV2), viral integration was associated with local variations in genomic copy numbers. Integrations at the TERT promoter were associated with high telomerase expression evidently activating this tumor-driving process. High levels of endogenous retrovirus (ERV1) expression were linked to a worse survival outcome in patients with kidney cancer.

Herpesvirus latency is generally thought to be governed by epigenetic modifications, but the dynamics of viral chromatin at early timepoints of latent infection are poorly understood. Here, we report a comprehensive spatial and temporal analysis of DNA methylation and histone modifications during latent infection with Kaposi Sarcoma-associated herpesvirus (KSHV), the etiologic agent of Kaposi Sarcoma and primary effusion lymphoma (PEL). By use of high resolution tiling microarrays in conjunction with immunoprecipitation of methylated DNA (MeDIP) or modified histones (chromatin IP, ChIP), our study revealed highly distinct landscapes of epigenetic modifications associated with latent KSHV infection in several tumor-derived cell lines as well as de novo infected endothelial cells. We find that KSHV genomes are subject to profound methylation at CpG dinucleotides, leading to the establishment of characteristic global DNA methylation patterns. However, such patterns evolve slowly and thus are unlikely to control early latency. In contrast, we observed that latency-specific histone modification patterns were rapidly established upon a de novo infection. Our analysis furthermore demonstrates that such patterns are not characterized by the absence of activating histone modifications, as H3K9/K14-ac and H3K4-me3 marks were prominently detected at several loci, including the promoter of the lytic cycle transactivator Rta. While these regions were furthermore largely devoid of the constitutive heterochromatin marker H3K9-me3, we observed rapid and widespread deposition of H3K27-me3 across latent KSHV genomes, a bivalent modification which is able to repress transcription in spite of the simultaneous presence of activating marks. Our findings suggest that the modification patterns identified here induce a poised state of repression during viral latency, which can be rapidly reversed once the lytic cycle is induced.

Abstract Latent Kaposi sarcoma-associated herpesvirus (KSHV) genomes rapidly acquire distinct patterns of the activating histone modification H3K4-me3 as well as repressive H3K27-me3 marks, a modification linked to transcriptional silencing by polycomb repressive complexes (PRC). Interestingly, PRCs have recently been reported to restrict viral gene expression in a number of other viral systems, suggesting they may play a broader role in controlling viral chromatin. If so, it is an intriguing possibility that latency establishment may result from viral subversion of polycomb-mediated host responses to exogenous DNA. To investigate such scenarios we sought to establish whether rapid repression by PRC constitutes a general hallmark of herpesvirus latency. For this purpose, we performed a comparative epigenome analysis of KSHV and the related murine gammaherpesvirus 68 (MHV-68). We demonstrate that, while latently replicating MHV-68 genomes readily acquire distinct patterns of activation-associated histone modifications upon de novo infection, they fundamentally differ in their ability to efficiently attract H3K27-me3 marks. Statistical analyses of ChIP-seq data from in vitro infected cells as well as in vivo latency reservoirs furthermore suggest that, whereas KSHV rapidly attracts PRCs in a genome-wide manner, H3K27-me3 acquisition by MHV-68 genomes may require spreading from initial seed sites to which PRC are recruited as the result of an inefficient or stochastic recruitment, and that immune pressure may be needed to select for latency pools harboring PRC-silenced episomes in vivo . Using co-infection experiments and recombinant viruses, we also show that KSHV’S ability to rapidly and efficiently acquire H3K27-me3 marks does not depend on the host cell environment or unique properties of the KSHV-encoded LANA protein, but rather requires specific cis-acting sequence features. We show that the non-canonical PRC1.1 component KDM2B, a factor which binds to unmethylated CpG motifs, is efficiently recruited to KSHV genomes, indicating that CpG island characteristics may constitute these features. In accord with the fact that, compared to MHV-68, KSHV genomes exhibit a fundamentally higher density of CpG motifs, we furthermore demonstrate efficient acquisition of H2AK119-ub by KSHV and H3K36-me2 by MHV-68 (but not vice versa), furthermore supporting the notion that KSHV genomes rapidly attract PRC1.1 complexes in a genome-wide fashion. Collectively, our results suggest that rapid PRC silencing is not a universal feature of viral latency, but that some viruses may rather have adopted distinct genomic features to specifically exploit default host pathways that repress epigenetically naive, CpG-rich DNA. Author Summary During herpesvirus latency, viral genomes persists as partially repressed nuclear episomes which do not express genes required for progeny production. Latently infected cells not only form a reservoir of lifelong persistence but also represent the driving force in cancers associated with tumorigenic herpesviruses such as KSHV. Hence, it is fundamentally important to understand the mechanisms controlling latency. We have shown previously that latent KSHV episomes rapidly acquire H3K27-me3, a histone mark associated with polycomb repressive complexes (PRC). PRCs play a pivotal role in the control of developmental genes but are also involved in the pathogenesis of several tumors. We here investigated whether PRC-repression represents a general feature of herpesvirus latency. By performing side-by-side analyses of KSHV and the related MHV-68 we show that the latter indeed has a fundamentally lower propensity to acquire H3K27-me3, and that KSHV’S ability to rapidly attract this mark is most likely the result of a specific sequence composition that promotes recruitment of non-canonical PRC1 (a complex which is important for the regulation of cellular CpG islands). Our results have widespread implications for nuclear DNA viruses and suggest that some viruses have specifically evolved to exploit common host responses to epigenetically naive DNA.

ABSTRACT For over a decade, multiple studies have disputed the notion of natural killer (NK) cells as purely innate lymphocytes by demonstrating that they are capable of putative antigen-specific immunological memory against multiple infectious agents including two critical global health priorities – HIV and influenza. However, the mechanisms underlying antigen specificity remain unknown. Herein, we demonstrate that antigen-specific human NK cell memory develops upon exposure to both HIV and influenza, unified by a conserved and epitope-specific targetable mechanism firmly dependent on the activating CD94/NKG2C receptor and its ligand HLA-E, and confirm these findings by three rigorous and novel assays. We validated the permanent acquisition of antigen-specificity by individual memory NK cells by single-cell cloning. We identified biomarkers of antigen-specific NK cell memory through RNA-Seq transcriptomic fingerprints and complex immunophenotyping by 30-parameter flow cytometry showing elevated expression of KLRG1, α4β7 and NKG2C. Finally, we show individual HLA-E-restricted peptides that may constitute the dominant response in HIV-1- and influenza-infected persons in vivo. Our findings clarify the mechanisms behind formation of antigen-specific memory NK cells, and suggest they could be targeted for future vaccines, cure strategies, or other therapeutic interventions.

Abstract Herpesvirus genome replication, capsid assembly and packaging take place in the host cell nucleus. Matured capsids leave the nucleus through a unique envelopment-de-envelopment process at the nuclear membranes called nuclear egress. How assembled and DNA-containing herpesvirus capsids reach the sites of nuclear egress is however still controversially discussed, as host chromatin that marginalizes during infection might constitute a major barrier. For alphaherpesviruses, previous work has suggested that nuclear capsids use active transport mediated by nuclear filamentous actin (F-actin). However, direct evidence for nuclear capsid motility on nuclear F-actin was missing. Our subsequent work did not detect nuclear F-actin associated with motile capsids, but instead found evidence for chromatin remodeling to facilitate passive capsid diffusion. A recent report described that human cyto-megalovirus, a betaherpesvirus, induces nuclear F-actin and that the motor protein myosin V localizes to these structures. Direct evidence of capsid recruitment to these structures and motility on them was however missing. In this study, we tested the functional role of HCMV-induced, nuclear actin assemblies for capsid transport. We did not observe transport events along nuclear F-actin. Instead, reproduction of nuclear F-actin was only possible using strong overexpression of the fluorescent marker LifeAct-mCherry-NLS. Also, two alternative fluo-rescent F-actin markers did not detect F-actin in HCMV-infected cells. Furthermore, single particle tracking of nuclear HCMV capsids showed no indication for active transport, which is in line with previous work on alphaherpesviruses.

Metagenomics is gradually being implemented for diagnosing infectious diseases. However, in-depth protocol comparisons for viral detection have been limited to individual sets of experimental workflows and laboratories. In this study, we present a benchmark of metagenomics protocols used in clinical diagnostic laboratories initiated by the European Society for Clinical Virology (ESCV) Network on NGS (ENNGS). A mock viral reference panel was designed to mimic low biomass clinical specimens. The panel was used to assess the performance of twelve metagenomic wet lab protocols currently in use in the diagnostic laboratories of participating ENNGS member institutions. Both Illumina and Nanopore, shotgun and targeted capture probe protocols were included. Performance metrics sensitivity, specificity, and quantitative potential were assessed using a central bioinformatics pipeline. Overall, viral pathogens with loads down to 10

Abstract Stroke and central nervous system dysfunction are cardinal symptoms in critically ill corona virus disease 19 (COVID-19) patients. In an autopsy series of 32 COVID-19 patients, we investigated whether carotid arteries were infected with SARS-CoV-2 by employing genomic, virologic, histochemical and transcriptomic analyses. We show that SARS-CoV-2 productively infects and modulates vascular responses in carotid arteries. This finding has far reaching implications for the understanding and clinical treatment of COVID-19.