The mode of acquisition and causes for the variable clinical spectrum of coronavirus disease 2019 (COVID-19) remain unknown. We utilized a reverse genetics system to generate a GFP reporter virus to explore severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) pathogenesis and a luciferase reporter virus to demonstrate sera collected from SARS and COVID-19 patients exhibited limited cross-CoV neutralization. High-sensitivity RNA in situ mapping revealed the highest angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) expression in the nose with decreasing expression throughout the lower respiratory tract, paralleled by a striking gradient of SARS-CoV-2 infection in proximal (high) versus distal (low) pulmonary epithelial cultures. COVID-19 autopsied lung studies identified focal disease and, congruent with culture data, SARS-CoV-2-infected ciliated and type 2 pneumocyte cells in airway and alveolar regions, respectively. These findings highlight the nasal susceptibility to SARS-CoV-2 with likely subsequent aspiration-mediated virus seeding to the lung in SARS-CoV-2 pathogenesis. These reagents provide a foundation for investigations into virus-host interactions in protective immunity, host susceptibility, and virus pathogenesis.

The airway mucin Muc5b (but not Muc5ac) is required for mucociliary clearance, defence against bacterial infection in the airways and middle ear, and maintenance of immune homeostasis in the lungs; Muc5b deficiency causes accumulation of apoptotic macrophages, impairment of phagocytosis and reduced production of interleukin-23, leading to infection and inflammation. The mucosal surfaces in the lungs are a first line of defence against airborne pathogens but overproduction of mucus can itself cause respiratory disease. This study identifies a specific glycoprotein component of airway mucus, called Muc5b, as essential for mucociliary clearance in mice. Surprisingly Muc5b also contributes to innate defence against bacterial infection through the regulation of macrophage function both in mice and in humans with allergic asthma. Absence of Muc5b causes materials to accumulate in the airways, culminating in chronic infection by multiple bacterial species. This work could have relevance for the treatment of airway diseases. Respiratory surfaces are exposed to billions of particulates and pathogens daily. A protective mucus barrier traps and eliminates them through mucociliary clearance (MCC)1,2. However, excessive mucus contributes to transient respiratory infections and to the pathogenesis of numerous respiratory diseases1. MUC5AC and MUC5B are evolutionarily conserved genes that encode structurally related mucin glycoproteins, the principal macromolecules in airway mucus1,3. Genetic variants are linked to diverse lung diseases4,5,6, but specific roles for MUC5AC and MUC5B in MCC, and the lasting effects of their inhibition, are unknown. Here we show that mouse Muc5b (but not Muc5ac) is required for MCC, for controlling infections in the airways and middle ear, and for maintaining immune homeostasis in mouse lungs, whereas Muc5ac is dispensable. Muc5b deficiency caused materials to accumulate in upper and lower airways. This defect led to chronic infection by multiple bacterial species, including Staphylococcus aureus, and to inflammation that failed to resolve normally7. Apoptotic macrophages accumulated, phagocytosis was impaired, and interleukin-23 (IL-23) production was reduced in Muc5b−/− mice. By contrast, in mice that transgenically overexpress Muc5b, macrophage functions improved. Existing dogma defines mucous phenotypes in asthma and chronic obstructive pulmonary disease (COPD) as driven by increased MUC5AC, with MUC5B levels either unaffected or increased in expectorated sputum1,8. However, in many patients, MUC5B production at airway surfaces decreases by as much as 90%9,10,11. By distinguishing a specific role for Muc5b in MCC, and by determining its impact on bacterial infections and inflammation in mice, our results provide a refined framework for designing targeted therapies to control mucin secretion and restore MCC.

MUC5AC and MUC5B are the predominant gel-forming mucins in the mucus layer of human airways. Each mucin has distinct functions and site-specific expression. However, the regional distribution of expression and cell types that secrete each mucin in normal/healthy human airways are not fully understood.

Rationale: E-cigarettes vaporize propylene glycol/vegetable glycerin (PG/VG), nicotine, and flavorings. However, the long-term health effects of exposing lungs to vaped e-liquids are unknown.Objectives: To determine the effects of chronic vaping on pulmonary epithelia.Methods: We performed research bronchoscopies on healthy nonsmokers, cigarette smokers, and e-cigarette users (vapers) and obtained bronchial brush biopsies and lavage samples from these subjects for proteomic investigation. We further employed in vitro and murine exposure models to support our human findings.Measurements and Main Results: Visual inspection by bronchoscopy revealed that vaper airways appeared friable and erythematous. Epithelial cells from biopsy samples revealed approximately 300 proteins that were differentially expressed in smoker and vaper airways, with only 78 proteins being commonly altered in both groups and 113 uniquely altered in vapers. For example, CYP1B1 (cytochrome P450 family 1 subfamily B member 1), MUC5AC (mucin 5 AC), and MUC4 levels were increased in vapers. Aerosolized PG/VG alone significantly increased MUC5AC protein in human airway epithelial cultures and in murine nasal epithelia in vivo. We also found that e-liquids rapidly entered cells and that PG/VG reduced membrane fluidity and impaired protein diffusion.Conclusions: We conclude that chronic vaping exerts marked biological effects on the lung and that these effects may in part be mediated by the PG/VG base. These changes are likely not harmless and may have clinical implications for the development of chronic lung disease. Further studies will be required to determine the full extent of vaping on the lung.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) causes a range of symptoms in infected individuals, from mild respiratory illness to acute respiratory distress syndrome. A systematic understanding of host factors influencing viral infection is critical to elucidate SARS-CoV-2-host interactions and the progression of Coronavirus disease 2019 (COVID-19). Here, we conducted genome-wide CRISPR knockout and activation screens in human lung epithelial cells with endogenous expression of the SARS-CoV-2 entry factors ACE2 and TMPRSS2. We uncovered proviral and antiviral factors across highly interconnected host pathways, including clathrin transport, inflammatory signaling, cell-cycle regulation, and transcriptional and epigenetic regulation. We further identified mucins, a family of high molecular weight glycoproteins, as a prominent viral restriction network that inhibits SARS-CoV-2 infection in vitro and in murine models. These mucins also inhibit infection of diverse respiratory viruses. This functional landscape of SARS-CoV-2 host factors provides a physiologically relevant starting point for new host-directed therapeutics and highlights airway mucins as a host defense mechanism.

Mucus hypersecretion and mucus obstruction are pathogenic features in many chronic lung diseases directly linked to disease severity, exacerbation, progression, and mortality. The Jagged-1/Notch pathway is a promising therapeutic target that regulates secretory and ciliated cell trans-differentiation in the lung. However, the Notch pathway is also required in various other organs. Hence, pulmonary delivery of therapeutic agents is a promising approach to target this pathway while minimizing systemic exposure. Using Anticalin® technology, Jagged-1 Anticalin binding proteins were generated and engineered to potent and selective inhalable Jagged-1 antagonists. Their therapeutic potential to reduce airway mucus hyperproduction and obstruction was investigated ex vivo and in vivo. In primary airway cell cultures grown at air-liquid interface and stimulated with inflammatory cytokines, Jagged-1 Anticalin binding proteins reduced both mucin gene expression and mucous cell metaplasia. In vivo, prophylactic and therapeutic treatment with a pulmonary-delivered Jagged-1 Anticalin binding protein reduced mucous cell metaplasia, epithelial thickening and airway mucus hyperproduction in IL-13 and house dust mite allergen-challenged mice, respectively. Further, in a transgenic mouse model with pathophysiologic features of cystic fibrosis and COPD, pulmonary-delivered Jagged-1 Anticalin binding protein reduced hallmarks of airway mucus obstruction. In all in vivo models a reduction of mucous cells with a concomitant increase of ciliated cells was observed. Collectively, these findings support Jagged-1 antagonists' therapeutic potential for patients with muco-obstructive lung diseases, and the feasibility of targeting the Jagged-1/Notch pathway by inhalation.

The laboratory mouse is the most widely used animal model for biomedical research, due in part to its well annotated genome, wealth of genetic resources and the ability to precisely manipulate its genome. Despite the importance of genetics for mouse research, genetic quality control (QC) is not standardized, in part due to the lack of cost effective, informative and robust platforms. Genotyping arrays are standard tools for mouse research and remain an attractive alternative even in the era of high-throughput whole genome sequencing. Here we describe the content and performance of a new Mouse Universal Genotyping Array (MUGA). MiniMUGA, an array-based genetic QC platform with over 11,000 probes. In addition to robust discrimination between most classical and wild-derived laboratory strains, MiniMUGA was designed to contain features not available in other platforms: 1) chromosomal sex determination, 2) discrimination between substrains from multiple commercial vendors, 3) diagnostic SNPs for popular laboratory strains, 4) detection of constructs used in genetically engineered mice, and 5) an easy to interpret report summarizing these results. In-depth annotation of all probes should facilitate custom analyses by individual researchers. To determine the performance of MiniMUGA we genotyped 6,899 samples from a wide variety of genetic backgrounds. The performance of MiniMUGA compares favorably with three previous iterations of the MUGA family of arrays both in discrimination capabilities and robustness. We have generated publicly available consensus genotypes for 241 inbred strains including classical, wild-derived and recombinant inbred lines. Here we also report the detection of a substantial number of XO and XXY individuals across a variety of sample types, the extension of the utility of reduced complexity crosses to genetic backgrounds other than C57BL/6, and the robust detection of 17 genetic constructs. There is preliminary but striking evidence that the array can be used to identify both partial sex chromosome duplication and mosaicism, and that diagnostic SNPs can be used to determine how long inbred mice have been bred independently from the main stock for a significant action of the genotyped inbred samples. We conclude that MiniMUGA is a valuable platform for genetic QC and important new tool to the increase rigor and reproducibility of mouse research.

Abstract Mutations of Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator ( CFTR ) lead to Cystic Fibrosis (CF), but the substantial phenotypic variations are determined by non- CFTR allelic diversity. To map novel disease phenotypes in a CF mouse model, we used Collaborative Cross (CC) mice, a highly genetically diverse mouse resource population. ΔF508-Cftr homozygosity produced a fully penetrant lethal phenotype by eight weeks in two CC lines. The lethality of CC006 ΔF508/ΔF508 was fully prenatal while CC037 ΔF508/ΔF508 showed either prenatal or postnatal lethality. Novel phenotypes of CC037 ΔF508/ΔF508 were revealed early in life including respiratory and systemic inflammatory profiles, and blood, bone marrow, pancreas, heart, and reproductive tract pathologies. Severe intestinal blockage was observed as common in other CF mouse models. These results suggest that the exploration of CF disease phenotypes in a mouse population with diverse genetic profiles is needed to map the genetic origin of currently unidentified disease traits and their potential translation to humans.