Abstract Emergence of the novel pathogenic coronavirus SARS-CoV-2 and its rapid pandemic spread presents numerous questions and challenges that demand immediate attention. Among these is the urgent need for a better understanding of humoral immune response against the virus as a basis for developing public health strategies to control viral spread. For this, sensitive, specific and quantitative serological assays are required. Here we describe the development of a semi-quantitative high-content microscopy-based assay for detection of three major classes (IgG, IgA and IgM) of SARS-CoV-2 specific antibodies in human samples. The possibility to detect antibodies against the entire viral proteome together with a robust semi-automated image analysis workflow resulted in specific, sensitive and unbiased assay which complements the portfolio of SARS-CoV-2 serological assays. The procedure described here has been used for clinical studies and provides a general framework for the application of quantitative high-throughput microscopy to rapidly develop serological assays for emerging virus infections.

Malaria-causing parasites proliferate within erythrocytes through schizogony, forming multinucleated stages before cellularization. Nuclear multiplication does not follow a strict geometric 2 n progression and each proliferative cycle produces a heterogeneous number of progeny. Here, by tracking nuclei and DNA replication, we show that individual nuclei replicate their DNA at different times, despite residing in a shared cytoplasm. Extrapolating from experimental data using mathematical modeling, we demonstrate that a limiting factor must exist that slows down the nuclear multiplication rate. Indeed, our data show that temporally overlapping DNA replication events were significantly slower than partially or non-overlapping events. Our findings suggest an evolutionary pressure that selects for asynchronous DNA replication, balancing available resources with rapid pathogen proliferation.

Abstract HIV-1 replication commences inside the cone-shaped viral capsid, but timing, localization and mechanism of uncoating are under debate. We adapted a strategy to visualize individual reverse-transcribed HIV-1 cDNA molecules and their association with viral and cellular proteins using fluorescence and correlative-light-and-electron-microscopy (CLEM). We specifically detected HIV-1 cDNA inside nuclei, but not in the cytoplasm. Nuclear cDNA initially co-localized with a fluorescent integrase fusion (IN-FP) and the viral CA (capsid) protein, but cDNA-punctae separated from IN-FP/CA over time. This phenotype was conserved in primary HIV-1 target cells, with nuclear HIV-1 complexes exhibiting strong CA-signals in all cell types. CLEM revealed cone-shaped HIV-1 capsid-like structures and apparently broken capsid-remnants at the position of IN-FP signals and elongated chromatin-like structures in the position of viral cDNA punctae lacking IN-FP. Our data argue for nuclear uncoating by physical disruption rather than cooperative disassembly of the CA-lattice, followed by physical separation from the pre-integration complex.

ABSTRACT Positive-strand RNA viruses have been the etiological agents in several major disease outbreaks over the last few decades. Examples of that are flaviviruses, such as dengue virus and Zika virus that cause millions of yearly infections and spread around the globe, and coronaviruses, such as SARS-CoV-2, which is the cause of the current pandemic. The severity of outbreaks caused by these viruses stresses the importance of virology research in determining mechanisms to limit virus spread and to curb disease severity. Such studies require molecular tools to decipher virus-host interactions and to develop effective interventions. Here, we describe the generation and characterization of a reporter system to visualize dengue virus and SARS-CoV-2 replication in live cells. The system is based on viral protease activity causing cleavage and nuclear translocation of an engineered fluorescent protein that is expressed in the infected cells. We show the suitability of the system for live cell imaging and visualization of single infected cells as well as for screening and testing of antiviral compounds. Given the modular building blocks, the system is easy to manipulate and can be adapted to any virus encoding a protease, thus offering a high degree of flexibility. IMPORTANCE Reporter systems are useful tools for fast and quantitative visualization of viral replication and spread within a host cell population. Here we describe a reporter system that takes advantage of virus-encoded proteases that are expressed in infected cells to cleave an ER-anchored fluorescent protein fused to a nuclear localization sequence. Upon cleavage, the fluorescent protein translocates to the nucleus, allowing for rapid detection of the infected cells. Using this system, we demonstrate reliable reporting activity for two major human pathogens from the Flaviviridae and the Coronaviridae families: dengue virus and SARS-CoV-2. We apply this reporter system to live cell imaging and use it for proof-of-concept to validate antiviral activity of a nucleoside analogue. This reporter system is not only an invaluable tool for the characterization of viral replication, but also for the discovery and development of antivirals that are urgently needed to halt the spread of these viruses.

Abstract Arp2/3-dependent formation of nuclear F-actin networks of different morphology and stability is observed in an increasing number of biological processes. In CD4 T cells, T cell receptor (TCR) signaling induces cytoplasmic and nuclear F-actin assembly via Arp2/3 to strengthen contacts to antigen presenting cells and to regulate gene expression, respectively. How Arp2/3 complex is regulated to mediate these distinct actin polymerization events in response to a common stimulus is unknown. Arp2/3-complex consists of 7 subunits where ARP3, ARPC1 and ARPC5 exist as two different isoforms in humans that can assemble in complexes with different properties. Examining whether specific Arp2/3 subunit isoforms govern distinct actin remodeling events in CD4 T cells, we find that the ARPC5L isoform drives nuclear actin polymerization, while cytoplasmic actin dynamics and TCR proximal signalling selectively relies on ARPC5. In contrast, formation of stable nuclear F-actin networks triggered by DNA replication stress in CD4 T cells requires ARPC5 and is independent of ARPC5L. Moreover, nuclear actin polymerization induced by TCR signaling but not by DNA replication stress is controlled by nuclear calcium-calmodulin signalling and N-WASP. Specific ARPC5 isoforms thus govern Arp2/3 complex activity in distinct actin polymerization events. ARPC5 isoform diversity thus emerges as a mechanism to tailor Arp2/3 activity to different physiological stimuli.

Abstract Liver-generated plasma Apolipoprotein E (ApoE)-containing lipoproteins (LPs) (ApoE-LPs) play central roles in lipid transport and metabolism. Perturbations of ApoE can result in several metabolic disorders and ApoE genotypes have been associated with multiple diseases. ApoE is synthesized at the endoplasmic reticulum and transported to the Golgi apparatus for LP assembly; however, ApoE-LPs transport from there to the plasma membrane is largely unknown. Here, we established an integrative imaging approach based on a fully functional fluorescently tagged ApoE. We found that ApoE-LPs accumulate in CD63-positive endosomes of hepatocytes. In addition, we observed the co-egress of ApoE-LPs and extracellular vesicles (EVs) along the late endosomal trafficking route. Moreover, complexes of ApoE-LPs and CD63-positive EVs were found to be transmitted from cell to cell. Given the important role of ApoE in viral infections, we studied the hepatitis C virus (HCV) and found that the viral replicase protein NS5A is enriched in ApoE-containing intraluminal vesicles. Interaction between NS5A and ApoE is required for the efficient release of EVs containing viral RNA. These vesicles are transported along the endosomal ApoE egress pathway. Taken together, our data argue for endosomal egress and transmission of hepatic ApoE-LPs, a pathway that is hijacked by HCV. Given the more general role of EV-mediated cell-to-cell communication, these insights provide new starting points for research into the pathophysiology of ApoE-related metabolic and infection-related disorders. Author Summary The post-Golgi egress pathway of hepatocyte-derived ApoE-containing lipoproteins (ApoE-LPs) is largely unknown. By using integrative imaging analyses, we show that ApoE-LPs are enriched in CD63-positive endosomes suggesting that these endosomes might be a central hub for the storage of ApoE-LPs from which they are released into the circulation. In addition, we provide evidence for the co-egress of ApoE-LPs with extracellular vesicles (EVs) along the late endosomal route and their transfer from cell to cell. This pathway is hijacked by the hepatitis C virus that induces the production of ApoE-associated EVs containing viral RNA. Given the important role of ApoE in multiple metabolic, degenerative and infectious diseases, and the role of EVs in cell-to-cell communication, these results provide important information how perturbations of ApoE might contribute to various pathophysiologies.

Abstract The cone-shaped mature HIV-1 capsid is the main orchestrator of early viral replication. After cytosolic entry, it transports the viral replication complex along microtubules towards the nucleus. While it was initially believed that the reverse transcribed genome is released from the capsid in the cytosol, recent observations indicate that a high amount of capsid protein (CA) remains associated with subviral complexes during import through the nuclear pore complex (NPC). Observation of post-entry events via microscopic detection of HIV-1 CA is challenging, since epitope shielding limits immunodetection and the genetic fragility of CA hampers direct labeling approaches. Here, we present a minimally invasive strategy based on genetic code expansion and click chemistry that allows for site-directed fluorescent labeling of HIV-1 CA, while retaining virus morphology and infectivity. Thereby, we could directly visualize virions and subviral complexes using advanced microscopy, including nanoscopy and correlative imaging. Quantification of signal intensities of subviral complexes revealed an amount of CA associated with nuclear complexes in HeLa-derived cells and primary T cells consistent with a complete capsid and showed that treatment with the small molecule inhibitor PF74 did not result in capsid dissociation from nuclear complexes. Cone-shaped objects detected in the nucleus by electron tomography were clearly identified as capsid-derived structures by correlative microscopy. High-resolution imaging revealed dose-dependent clustering of nuclear capsids, suggesting that incoming particles may follow common entry routes.

Abstract Hepatitis C virus (HCV) is highly diverse and grouped into eight genotypes (gts). Infectious cell culture models are limited to a few subtypes, that do not include the highly prevalent gt1b, hampering the development of prophylactic vaccines. A consensus gt1b genome (termed GLT1) was generated from an HCV infected liver-transplanted patient. GLT1 replicated to an outstanding efficiency in Huh7 cells upon SEC14L2 expression, by use of replication enhancing mutations or with a previously developed inhibitor-based regimen. RNA replication levels almost reached JFH-1, but full-length genomes failed to produce detectable amounts of infectious virus. Long-term passaging led to the adaptation of a genome carrying 21 mutations and concomitant production of high levels of transmissible infectivity (GLT1cc). During the adaptation, GLT1 spread in the culture even in absence of detectable amounts of free virus, but cell-to-cell spreading efficiency was not higher as in other isolates like JFH-1. Mechanistically, genome replication and particle production efficiency were enhanced by adaptation, while cell entry competence of HCV pseudoparticles was not affected. Furthermore, GLT1cc retained the ability to replicate in human liver chimeric mice, which was critically dependent on a mutation in domain 3 of nonstructural protein NS5A. Over the course of infection, only one mutation in the surface glycoprotein E2 consistently reverted to wildtype, facilitating assembly in cell culture but potentially affecting CD81 interaction in vivo. Overall, GLT1cc is the first efficient gt1b infectious cell culture model, paving the road to a rationale-based establishment of new infectious HCV isolates and represents an important novel tool for the development of prophylactic HCV vaccines. Author summary Chronic HCV infections remain an important global health issue, despite the availability of highly efficient therapies. So far no protective vaccine is available, which is in part due to the high divergence of HCV variants and the limited possibly to mirror this genetic diversity in cell culture. It has been proven particularly difficult to grow infectious virus in cell culture, requiring extensive adaptation with multiple mutations, which in turn affect infectivity of the adapted variants in vivo. Here we have isolated a genotype 1b variant from a very high titer serum of a patient after liver transplantation (German Liver Transplant 1, GLT1), showing an outstanding genome replication efficiency in cultured hepatoma cells. We were able to adapt this isolate to production of infectious virus, therefore generating the first efficient full-replication cycle cell culture model for highly prevalent HCV genotype 1b. Despite multiple mutations required, adapted GLT1 was still infectious in vivo. GLT1 therefore is not only an important novel development facilitating future efforts in vaccine development. It also provides novel perspectives towards our understanding how liver transplantation drives the evolution of viral isolates with high replication capacity, which might contribute to direct pathogenesis of HCV infection.

ABSTRACT Background and Aims High expression of phosphatidylinositol 4-kinase III alpha (PI4KIIIα) correlates with poor survival rates in patients with hepatocellular carcinoma (HCC). In addition, Hepatitis C virus (HCV) infections activate PI4KIIIα and contribute to HCC progression. We aimed at mechanistically understanding the impact of PI4KIIIα on the progression of liver cancer and the potential contribution of HCV in this process. Methods Several hepatic cell culture and mouse models were used to study functional importance of PI4KIIIα on liver pathogenesis. Antibody arrays, gene silencing and PI4KIIIα specific inhibitor were applied to identify the involved signaling pathways. The contribution of HCV was examined by using HCV infection or overexpression of its nonstructural protein. Results High PI4KIIIα expression and/or activity induced cytoskeletal rearrangements via increased-phosphorylation of paxillin and cofilin. This led to morphological alterations and higher migratory and invasive properties of liver cancer cells. We further identified the liver specific lipid kinase phosphatidylinositol 3-kinase C2 domain-containing subunit gamma (PIK3C2γ) working downstream of PI4KIIIα in regulation of the cytoskeleton. PIK3C2γ generates plasma membrane (PM) phosphatidylinositol 3,4-bisphosphate [PI(3,4)P2]- enriched, invadopodia-like structures which regulate cytoskeletal reorganization by promoting Akt2 phosphorylation. Conclusions PI4KIIIα regulates cytoskeleton organization via PIK3C2γ/Akt2/paxillin-cofilin to favor migration and invasion of liver cancer cells. These findings provide mechanistic insight into the contribution of PI4KIIIα and HCV to progression of liver cancer and identify promising targets for therapeutic intervention. IMPACT AND IMPLICATIONS Understanding mechanistically how high PI4KIIIα expression are associated with poor clinical outcomes of liver cancer is important to develop pharmaceutical interventions. Our study sheds light on the importance of the two lipid kinases PI4KIIIα and PIK3C2γ as well as the contribution of HCV on liver cancer progression, unraveling the signaling pathway governing this process. This preclinical study contributes to better understanding the complex connection of phospholipids, cytoskeleton and liver cancer and suggests strategies to improve therapeutic outcomes by targeting important signaling molecules. Graphical abstract

Abstract Combinations of direct-acting antivirals are needed to minimize drug-resistance mutations and stably suppress replication of RNA viruses. Currently, there are limited therapeutic options against the Severe Acute Respiratory Syndrome Corona Virus 2 (SARS-CoV-2) and testing of a number of drug regimens has led to conflicting results. Here we show that cobicistat, which is an-FDA approved drug-booster that blocks the activity of the drug metabolizing proteins Cytochrome P450-3As (CYP3As) and P-glycoprotein (P-gp), inhibits SARS-CoV-2 replication. Cell-to-cell membrane fusion assays indicated that the antiviral effect of cobicistat is exerted through inhibition of spike protein-mediated membrane fusion. In line with this, incubation with low micromolar concentrations of cobicistat decreased viral replication in three different cell lines including cells of lung and gut origin. When cobicistat was used in combination with the putative CYP3A target and nucleoside analog remdesivir, a synergistic effect on the inhibition of viral replication was observed in cell lines and in a primary human colon organoid. The cobicistat/remdesivir combination was able to potently abate viral replication to levels comparable to mock-infected cells leading to an almost complete rescue of infected cell viability. These data highlight cobicistat as a therapeutic candidate for treating SARS-CoV-2 infection and as a potential building block of combination therapies for COVID-19.