Abstract Transmission of influenza A viruses (IAV) between hosts is subject to numerous physical and biological barriers that impose genetic bottlenecks, constraining viral diversity and adaptation. The presence of bottlenecks within individual hosts and their potential impacts on evolutionary pathways taken during infection and subsequent transmission are poorly understood. To address this knowledge gap, we created highly diverse IAV libraries bearing molecular barcodes on two independent gene segments, enabling high-resolution tracking and quantification of unique virus lineages within hosts. Here we show that IAV infection in lungs is characterized by multiple within-host bottlenecks that result in “islands” of infection in lung lobes, each with genetically distinct populations. We performed site-specific inoculation of barcoded IAV in the upper respiratory tract of ferrets and tracked viral diversity as infection spread to the trachea and lungs. We observed compartmentalized replication of discrete barcoded populations within the lobes of the lung. Bottlenecks stochastically sampled individual viruses from the upper respiratory tract or the trachea that became the dominant genotype in a particular lobe. These populations are shaped strongly by founder effects, with no evidence for positive selection. The segregated sites of replication highlight the jackpot-style events that contribute to within-host influenza virus evolution and may account for low rates of intrahost adaptation.

Abstract H7N9 avian influenza viruses (AIV) have caused over 1,500 documented human infections since emerging in 2013. Although wild type H7N9 AIV can transmit by respiratory droplets in ferrets, they have not yet caused widespread outbreaks in humans. Previous studies have revealed molecular determinants of H7N9 AIV virus host-switching, but little is known about potential evolutionary constraints on this process. Here we compare patterns of sequence evolution for H7N9 AIV and mammalian H1N1 viruses during replication and transmission in ferrets. We show that three main factors – purifying selection, stochasticity, and very narrow transmission bottlenecks – combine to severely constrain the ability of H7N9 AIV to effectively adapt to mammalian hosts in isolated, acute spillover events. We find rare evidence of natural selection favoring new or mammalian-adapting mutations within ferrets, but no evidence of natural selection acting during transmission. We conclude that human-adapted H7N9 viruses are unlikely to emerge during typical spillover infections. Our findings are instead consistent with a model in which the emergence of a human-transmissible virus would be a rare and unpredictable, though highly consequential, “jackpot” event. Strategies to limit the total number of spillover infections will limit opportunities for the virus to win this evolutionary lottery.

Abstract Zika virus (ZIKV) and dengue virus (DENV) are genetically and antigenically related flaviviruses that now co-circulate in much of the tropical and subtropical world. The rapid emergence of ZIKV in the Americas in 2015 and 2016, and its recent associations with Guillain-Barré syndrome, birth defects, and fetal loss have led to the hypothesis that DENV infection induces cross-reactive antibodies that influence the severity of secondary ZIKV infections. It has also been proposed that pre-existing ZIKV immunity could affect DENV pathogenesis. We examined outcomes of secondary ZIKV infections in three rhesus and fifteen cynomolgus macaques, as well as secondary DENV-2 infections in three additional rhesus macaques up to a year post-primary ZIKV infection. Although cross-binding antibodies were detected prior to secondary infection for all animals and cross-neutralizing antibodies were detected for some animals, previous DENV or ZIKV infection had no apparent effect on the clinical course of heterotypic secondary infections in these animals. All animals had asymptomatic infections and, when compared to controls, did not have significantly perturbed hematological parameters. Rhesus macaques infected with DENV-2 approximately one year after primary ZIKV infection had higher vRNA loads in plasma when compared with serum vRNA loads from ZIKV-naive animals infected with DENV-2, but a differential effect of sample type could not be ruled out. In cynomolgus macaques, the serotype of primary DENV infection did not affect the outcome of secondary ZIKV infection. Author summary Pre-existing immunity to one of the four DENV serotypes is known to increase the risk of severe disease upon secondary infection with a different serotype. Due to the antigenic similarities between ZIKV and DENV, it has been proposed that these viruses could interact in a similar fashion. Data from in vitro experiments and murine models suggests that pre-existing immunity to one virus could either enhance or protect against infection with the other. These somewhat contradictory findings highlight the need for immune competent animal models for understanding the role of cross-reactive antibodies in flavivirus pathogenesis. We examined secondary ZIKV or DENV infections in rhesus and cynomolgus macaques that had previously been infected with the other virus. We assessed the outcomes of secondary ZIKV or DENV infections by quantifying vRNA loads, clinical and laboratory parameters, body temperature, and weight for each cohort of animals and compared them with control animals. These comparisons demonstrated that within a year of primary infection, secondary infections with either ZIKV or DENV were similar to primary infections and were not associated with enhancement or reduction in severity of disease based on the outcomes that we assessed.

Abstract Congenital Zika virus (ZIKV) infection impacts fetal development and pregnancy outcomes. We infected a pregnant rhesus macaque with a Puerto Rican ZIKV isolate in the first trimester. The pregnancy was complicated by preterm premature rupture of membranes (PPROM) and fetal demise 49 days post infection (gestational day 95). Significant pathology at the maternal-fetal interface included acute chorioamnionitis, placental infarcts, and leukocytoclastic vasculitis of the myometrial radial arteries. ZIKV RNA was disseminated throughout the fetus tissues and maternal immune system at necropsy, as assessed by quantitative RT-PCR for viral RNA. Replicating ZIKV was identified in fetal tissues, maternal lymph node, and maternal spleen by fluorescent in situ hybridization for viral replication intermediates. Fetal ocular pathology included a choroidal coloboma, suspected anterior segment dysgenesis, and a dysplastic retina. This is the first report of ocular pathology and prolonged viral replication in both maternal and fetal tissues following congenital ZIKV infection in rhesus macaques. PPROM followed by fetal demise and severe pathology of the visual system have not been described in macaque congenital infection previously; further nonhuman primate studies are needed to determine if an increased risk for PPROM is associated with congenital Zika virus infection. Author summary A ZIKV infection during pregnancy is associated with malformations in fetal development including, but not limited to, ocular and brain anomalies, such as microcephaly, and stillbirth. The development of an accurate pregnancy model to study the effects of ZIKV will provide insight into vertical transmission, ZIKV tissue distribution, and fetal injury and malformations. Non-human primates closely resemble human in terms of the reproductive system, immunity, placentation and pregnancy. Our study demonstrates that the rhesus macaque is a compelling model in which to study ZIKV during pregnancy due to similar outcomes between the human and rhesus macaque. These similarities include prolonged viremia, vertical transmission, adverse pregnancy outcomes and fetal pathology, including defects in the visual system.

The recent spread of Zika virus (ZIKV) is alarming due to its association with birth defects. Though the natural reservoir of ZIKV remains poorly defined, the virus was first described in a captive sentinel macaque in Africa. Here, we examined blood from 239 wild African monkeys and found variable seropositivity.

We evaluated the contribution of CD8αβ+ T cells on control of live-attenuated simian immunodeficiency virus (LASIV) replication during chronic infection and subsequent protection from pathogenic SIV challenge. Unlike previous reports with a CD8α-specific depleting monoclonal antibody (mAb), the CD8β-specific mAb CD8β255R1 selectively depleted CD8αβ+ T cells without also depleting non-CD8+ T cell populations that express CD8α, such as natural killer (NK) cells and γδ T cells. Following infusion with CD8β255R1, plasma viremia transiently increased coincident with declining peripheral CD8αβ+ T cells. Interestingly, plasma viremia returned to pre-depletion levels even when peripheral CD8αβ+ T cells did not. Although depletion of CD8αβ+ T cells in the lymph node (LN) was incomplete, frequencies of these cells were three-fold lower (p=0.006) in animals that received CD8β255R1 compared to control IgG. It is possible that these residual SIV-specific CD8αβ+ T cells may have contributed to suppression of viremia during chronic infection. We also determined whether infusion of CD8β255R1 in the LASIV-vaccinated animals increased their susceptibility to infection following intravenous challenge with pathogenic SIVmac239. We found that 7/8 animals infused with CD8β255R1, and 3/4 animals infused with the control IgG, were resistant to SIVmac239 infection. These results suggest that infusion with CD8β255R1 did not eliminate the protection afforded to LASIV vaccination. This provides a comprehensive description of the impact of CD8β255R1 infusion on the immunological composition of the host, when compared to an isotype matched control IgG, while showing that the control of LASIV viremia and protection from challenge can occur even after CD8β255R1 administration.

Infection with Zika virus (ZIKV) is associated with human congenital fetal anomalies. To model fetal outcomes in nonhuman primates, we administered Asian-lineage ZIKV subcutaneously to four pregnant rhesus macaques. While non-pregnant animals in a previous study contemporary with the current report clear viremia within 10-12 days, maternal viremia was prolonged in 3 of 4 pregnancies. Fetal head growth velocity in the last month of gestation determined by ultrasound assessment of head circumference was decreased in comparison with biparietal diameter and femur length within each fetus, both within normal range. ZIKV RNA was detected in tissues from all four fetuses at term cesarean section. In all pregnancies, neutrophilic infiltration was present at the maternal-fetal interface (decidua, placenta, fetal membranes), in various fetal tissues, and in fetal retina, choroid, and optic nerve (first trimester infection only). Consistent vertical transmission in this primate model may provide a platform to assess risk factors and test therapeutic interventions for interruption of fetal infection. The results may also suggest that maternal-fetal ZIKV transmission in human pregnancy may be more frequent than currently appreciated.

Zika virus (ZIKV) is present in urine, saliva, tears, and breast milk, but the transmission risk associated with these body fluids is currently unknown. We evaluated the risk of ZIKV transmission through mucosal contact in rhesus macaques. Application of high-dose ZIKV directly to the tonsils of 3 rhesus macaques resulted in detectable plasma viremia in all animals by 2 days post-exposure; virus replication kinetics were similar to those observed in animals infected subcutaneously. Three additional macaques inoculated subcutaneously with ZIKV served as saliva donors to assess the transmission risk from contact with oral secretions from an infected individual. Seven naive animals repeatedly exposed to donor saliva via the conjunctivae, tonsils, or nostrils did not become infected. Our results suggest that there is a risk of ZIKV transmission via the mucosal route, but that the risk posed by oral secretions from individuals with a typical course of ZIKV infection is low.

For more than three decades it has been recognized that small amounts of vector saliva can significantly alter the infectivity of vector-borne pathogens and subsequent in vivo dynamics. Mouse and nonhuman primate models now serve as useful platforms to study Zika virus (ZIKV) pathogenesis, candidate therapies, and vaccines, but they rely on needle inoculation of virus: the effects of mosquito-borne infection on disease outcome have not been explored in these models. To model vector-borne transmission of ZIKV in nonhuman primates, we infected Aedes aegypti mosquitoes with ZIKV and allowed them to feed on four ZIKV-naive rhesus macaques. We compared ZIKV replication kinetics and tissue distribution between animals that were subcutaneously inoculated with 104 plaque-forming units of ZIKV and those that were exposed via mosquito bite. Here, we show that infection via mosquito bite delays ZIKV replication to peak viral loads in rhesus macaques. Importantly, in mosquito-infected animals ZIKV tissue distribution was limited to hemolymphatic tissues, female reproductive tract tissues, kidney, and liver, potentially emulating key features of human ZIKV infections, most of which are characterized by mild or asymptomatic disease. This newly developed system will be valuable for studying ZIKV disease because it more closely mimics human infection by mosquito bite than needle-based inoculations

Zika virus (ZIKV) isolates are genetically diverse, but belong to two recognized lineages, termed "African" and "Asian." Asian ZIKV infection during pregnancy causes fetal abnormalities including microcephaly. Developing an effective preventative Zika virus vaccine that protects pregnant women is essential for minimizing fetal abnor- malities; at least 18 groups are developing ZIKV vaccines (Hayden, 2016). The genetic and antigenic variability of many RNA viruses limits the effectiveness of vaccines, and the degree to which immunity against one ZIKV strain could provide protection against another is unknown. Here we show that rhesus macaques infected with East African ZIKV strain MR766 are completely protected from subsequent infection with heterologous Asian ZIKV. MR766 is more genetically divergent from all known Asian ZIKV strains than Asian ZIKV strains are from one another. Therefore, ZIKV strain selection is unlikely to compromise vaccine effectiveness.