Antibody responses to SARS-CoV-2 can be detected in most infected individuals 10–15 d after the onset of COVID-19 symptoms. However, due to the recent emergence of SARS-CoV-2 in the human population, it is not known how long antibody responses will be maintained or whether they will provide protection from reinfection. Using sequential serum samples collected up to 94 d post onset of symptoms (POS) from 65 individuals with real-time quantitative PCR-confirmed SARS-CoV-2 infection, we show seroconversion (immunoglobulin (Ig)M, IgA, IgG) in >95% of cases and neutralizing antibody responses when sampled beyond 8 d POS. We show that the kinetics of the neutralizing antibody response is typical of an acute viral infection, with declining neutralizing antibody titres observed after an initial peak, and that the magnitude of this peak is dependent on disease severity. Although some individuals with high peak infective dose (ID50 > 10,000) maintained neutralizing antibody titres >1,000 at >60 d POS, some with lower peak ID50 had neutralizing antibody titres approaching baseline within the follow-up period. A similar decline in neutralizing antibody titres was observed in a cohort of 31 seropositive healthcare workers. The present study has important implications when considering widespread serological testing and antibody protection against reinfection with SARS-CoV-2, and may suggest that vaccine boosters are required to provide long-lasting protection. Neutralizing antibody responses of patients infected with SARS-CoV-2 peak at 3–4 weeks post onset of symptoms, then decline to low levels over the course of 3 months in some individuals.

Macrophages play a central role in the balance and efficiency of the immune response and are at the interface between innate and adaptive immunity. Their phenotype is a delicate equilibrium between the M1 (classical, pro-Th(1)) and M2 (alternative, pro-Th(2)) profiles. This balance is regulated by cytokines such as interleukin 13 (IL-13), a typical pro-M2-Th(2) cytokine that has been related to allergic disease and asthma. IL-13 binds to IL-13 receptor α1 (IL13Rα1), a component of the Type II IL-4 receptor, and exerts its effects by activating the transcription factor signal transducer and activator of transcription 6 (STAT6) through phosphorylation. MicroRNAs are short (∼22 nucleotide) inhibitory non-coding RNAs that block the translation or promote the degradation of their specific mRNA targets. By bioinformatics analysis, we found that microRNA-155 (miR-155) is predicted to target IL13Rα1. This suggested that miR-155 might be involved in the regulation of the M1/M2 balance in macrophages by modulating IL-13 effects. miR-155 has been implicated in the development of a healthy immune system and function as well as in the inflammatory pro-Th(1)/M1 immune profile. Here we have shown that in human macrophages, miR-155 directly targets IL13Rα1 and reduces the levels of IL13Rα1 protein, leading to diminished activation of STAT6. Finally we also demonstrate that miR-155 affects the IL-13-dependent regulation of several genes (SOCS1, DC-SIGN, CCL18, CD23, and SERPINE) involved in the establishment of an M2/pro-Th(2) phenotype in macrophages. Our work shows a central role for miR-155 in determining the M2 phenotype in human macrophages.

Abstract Antibody (Ab) responses to SARS-CoV-2 can be detected in most infected individuals 10-15 days following the onset of COVID-19 symptoms. However, due to the recent emergence of this virus in the human population it is not yet known how long these Ab responses will be maintained or whether they will provide protection from re-infection. Using sequential serum samples collected up to 94 days post onset of symptoms (POS) from 65 RT-qPCR confirmed SARS-CoV-2-infected individuals, we show seroconversion in >95% of cases and neutralizing antibody (nAb) responses when sampled beyond 8 days POS. We demonstrate that the magnitude of the nAb response is dependent upon the disease severity, but this does not affect the kinetics of the nAb response. Declining nAb titres were observed during the follow up period. Whilst some individuals with high peak ID 50 (>10,000) maintained titres >1,000 at >60 days POS, some with lower peak ID 50 had titres approaching baseline within the follow up period. A similar decline in nAb titres was also observed in a cohort of seropositive healthcare workers from Guy’s and St Thomas’ Hospitals. We suggest that this transient nAb response is a feature shared by both a SARS-CoV-2 infection that causes low disease severity and the circulating seasonal coronaviruses that are associated with common colds. This study has important implications when considering widespread serological testing, Ab protection against re-infection with SARS-CoV-2 and the durability of vaccine protection.

Abstract Glucocorticoids (GCs) are one of the most used anti-inflammatory drugs worldwide. Despite their widespread use, our understanding of their post-transcriptional effects remains poorly understood. The tristetraprolin (TTP) RNA binding protein (RBP) family (ZFP36, ZFP36L1 and ZFP36L2) has been implicated in inflammation regulation via binding to AU-rich elements (ARE) in mRNAs, with TTP being implicated in GC modulation. We hypothesised that ZFP36L1 and ZFP36L2 are part of the GC pathway and tested this hypothesis in bronchial epithelium, which commonly encounters GC in vivo upon inhalation. Our data show that dexamethasone, a commonly used GC, modulated the levels, subcellular localisation and RNA binding of ZFP36L1/L2. Employing Frac-seq (subcellular fractionation and RNA-sequencing), we show that GC modulated distinct subsets of RNAs in a subcellular-dependent manner. In addition to their mostly known transcriptional effects (116 differentially expressed genes, DEGs), GCs modified the binding to monosomes of myriad mRNAs (83 differentially bound genes, DBGs). We also demonstrate that ZFP36L1/L2 modulated gene expression mainly at the total cytoplasmic and polyribosome binding levels. ZFP36L1/L2 down-regulation led to an increase in ARE-containing mRNAs and a pronounced modification of the effects of GC on gene expression. We observed a small overlap of genes modulated by GCs when comparing control and ZFP36L1/L2 knockdown cells, in a subcellular-dependent manner Our data also suggest a novel role for these RBPs and GCs in epithelial biology via regulation of mRNAs encoding proteins important for epithelial cell function including cellular structure. We believe that our data has further implications in how we investigate gene expression. We show the power of employing sub-cellular fractionation when analysing genome-wide effects for known ‘transcriptional modulators’ such as GCs, as well as a tool to demonstrate the extent of the effect of RBPs on gene expression modulation beyond total RNA levels.

Abstract The COVID-19 pandemic has accelerated the need to identify new therapeutics at pace, including through drug repurposing. We employed a Quadratic Unbounded Binary Optimization (QUBO) model, to search for compounds similar to Remdesivir (RDV), the only antiviral against SARS-CoV-2 currently approved for human use, using a quantum-inspired device. We modelled RDV and compounds present in the DrugBank database as graphs, established the optimal parameters in our algorithm and resolved the Maximum Weighted Independent Set problem within the conflict graph generated. We also employed a traditional Tanimoto fingerprint model. The two methods yielded different lists of compounds, with some overlap. While GS-6620 was the top compound predicted by both models, the QUBO model predicted BMS-986094 as second best. The Tanimoto model predicted different forms of cobalamin, also known as vitamin B12. We then determined the half maximal inhibitory concentration (IC 50 ) values in cell culture models of SARS-CoV-2 infection and assessed cytotoxicity. Lastly, we demonstrated efficacy against several variants including SARS-CoV-2 Strain England 2 (England 02/2020/407073), B.1.1.7 (Alpha), B.1.351 (Beta) and B.1.617.2 (Delta). Our data reveal that BMS-986094 and different forms of vitamin B12 are effective at inhibiting replication of all these variants of SARS-CoV-2. While BMS-986094 can cause secondary effects in humans as established by phase II trials, these findings suggest that vitamin B12 deserves consideration as a SARS-CoV-2 antiviral, particularly given its extended use and lack of toxicity in humans, and its availability and affordability. Our screening method can be employed in future searches for novel pharmacologic inhibitors, thus providing an approach for accelerating drug deployment.

MicroRNAs are small non-coding RNAs that inhibit gene expression post-transcriptionally, implicated in virtually all biological processes. Although the effect of individual microRNAs is generally studied, the genome-wide role of multiple microRNAs is less investigated. We assessed paired genome-wide expression of microRNAs with total (cytoplasmic) and translational (polyribosome-bound) mRNA levels employing Frac-seq in human primary bronchoepithelium from healthy controls and severe asthmatics. Severe asthma is a chronic inflammatory disease of the airways characterized by poor response to therapy. We found genes (=all isoforms of a gene) and mRNA isoforms differentially expressed in asthma, with novel inflammatory and structural mechanisms disclosed solely by polyribosome-bound mRNAs. Gene expression (=all isoforms of a gene) and mRNA expression analysis revealed different molecular candidates and biological pathways, with differentially expressed polyribosome-bound and total mRNAs also showing little overlap. We reveal a hub of six dysregulated microRNAs accounting for ~90% of all microRNA targeting, displaying preference for polyribosome-bound mRNAs. Transfection of this hub in healthy cells mimicked asthma characteristics. Our work demonstrates extensive post-transcriptional gene dysregulation in asthma, where microRNAs play a central role, illustrating the feasibility and importance of assessing post-transcriptional gene expression when investigating human disease.

RNA surveillance by the Nonsense Mediated Decay (NMD) pathway eliminates potentially deleterious transcripts containing Premature Termination Codons (PTCs). The transition from a pioneering round of translation to steady state translation is hypothesized to be a major checkpoint in this process. One hallmark of mRNAs licensed for translation is the exchange of 7-methylguanosine cap binding proteins. However, mRNAs undergoing steady state translation are also NMD substrates, raising mechanistic questions about the NMD checkpoint. To test the role of cap binding proteins in NMD, we modulated the protein composition of cytoplasmic messenger ribonucleoprotein particles (mRNPs) with the naturally occurring macrolide rapamycin. We demonstrate that despite well-documented attenuation of cap-dependent mRNA translation, rapamycin can augment NMD. Rapamycin-treatment significantly reduces the levels of endogenous and exogenous PTC-containing mRNA isoforms in a dose- and UPF1- dependent manner. PTC-containing transcripts exhibit a shorter half-life upon rapamacyin-treatment as compared to non-PTC isoforms. Rapamycin also causes depletion of PTC-containing mRNA isoforms from polyribosomes, suggesting that actively translating ribosomes can transition between low and high NMD states. Importantly, mRNPs show depletion of eIF4E and retention of the nuclear Cap Binding Complex (CBC) in rapamycin-treated cells. Our data demonstrate that rapamycin potentiates pioneer-like mRNP context thereby decreasing NMD evasion.

Alzheimer's disease (AD) is characterised by Aβ and tau pathology as well as synaptic degeneration. Recently, it was suggested that the development of these key disease features may at least in part be due to increased protein synthesis that is regulated by fragile X mental retardation protein (FMRP) and its binding partner CYFIP2. Using an unbiased screen, we show that exposure of primary neurons to Aβ increases FMRP-regulated protein synthesis and involves a reduction of CYFIP2 levels. Modelling this CYFIP2 reduction in mice, we find Aβ accumulation, development of pre-tangle tau pathology, gliosis, loss of synapses, and deficits in memory formation with ageing. We conclude that reducing endogenous CYFIP2 expression is sufficient to cause some key features of AD in mice. We therefore propose a central role for CYFIP2 in AD as a modulator of protein synthesis, highlighting a novel direction for therapeutic targeting.

ABSTRACT A large proportion of genes in mammalian genomes are embedded within another gene, sharing nucleotide sequence. Characterisation of these host/nested gene pairs is required to understand their transcriptional crosstalk. We identify all host/nested gene pairs and reveal they are found at over a sixth of genes in both human and mouse. Host genes were more highly expressed and more likely to be protein-coding and their nested gene partners mainly reside within the largest intron of their host. Individual analysis of host or nested gene expression did not reveal tissue specific profiles. Co-expression profiles did reveal tissue specific profiles, suggesting host/nested gene crosstalk plays a role during differentiation and development. To assess true co-expression or mutual expression testis scRNA-seq data were used, revealing that pairs can switch expression dynamically between these states during spermatogenesis. Host genes have a larger pool of isoforms and when co-expression occurred at some testis-specific pairs, host transcript diversity increased. Scanning experimentally validated polyadenylation sites upstream of the nested gene, shows that host polyadenylation sites are enriched, implying that alternative polyadenylation is one of the mechanisms influenced by host/nested gene co-expression. The collection of host/nested genes and our analysis is available on an Rshiny application.

Nucleotide sequences along a gene provide instructions to transcriptional and cotranscriptional machinery allowing genome expansion into the transcriptome. Nucleotide sequence can often be shared between two genes and in some occurrences, a gene is located completely within a different gene; these are known as host/nested gene pairs. In these instances, if both genes are transcribed, overlap can result in a transcriptional crosstalk where genes regulate each other. Despite this, a comprehensive annotation of where such genes are located and their expression patterns is lacking. To address this, we provide an up-to-date catalog of host/nested gene pairs in mouse and human, showing that over a tenth of all genes contain a nested gene. We discovered that transcriptional co-occurrence is often tissue specific. This coexpression was especially prevalent within the transcriptionally permissive tissue, testis. We use this developmental system and scRNA-seq analysis to demonstrate that the coexpression of pairs can occur in single cells and transcription in the same place at the same time can enhance the transcript diversity of the host gene. In agreement, host genes are more transcript-diverse than the rest of the transcriptome. Host/nested gene configurations are common in both human and mouse, suggesting that interplay between gene pairs is a feature of the mammalian genome. This highlights the relevance of transcriptional crosstalk between genes which share nucleic acid sequence. The results and analysis are available on an Rshiny application ( https://hngeneviewer.sites.er.kcl.ac.uk/hn_viewer/ ).