Zika virus (ZIKV) infection in pregnant women causes intrauterine growth restriction, spontaneous abortion, and microcephaly. Here, we describe two mouse models of placental and fetal disease associated with in utero transmission of ZIKV. Female mice lacking type I interferon signaling (Ifnar1(-/-)) crossed to wild-type (WT) males produced heterozygous fetuses resembling the immune status of human fetuses. Maternal inoculation at embryonic day 6.5 (E6.5) or E7.5 resulted in fetal demise that was associated with ZIKV infection of the placenta and fetal brain. We identified ZIKV within trophoblasts of the maternal and fetal placenta, consistent with a trans-placental infection route. Antibody blockade of Ifnar1 signaling in WT pregnant mice enhanced ZIKV trans-placental infection although it did not result in fetal death. These models will facilitate the study of ZIKV pathogenesis, in utero transmission, and testing of therapies and vaccines to prevent congenital malformations.

Zika virus (ZIKV) is an emerging flavivirus that causes congenital abnormalities and Guillain-Barré syndrome. ZIKV infection also results in severe eye disease characterized by optic neuritis, chorioretinal atrophy, and blindness in newborns and conjunctivitis and uveitis in adults. We evaluated ZIKV infection of the eye by using recently developed mouse models of pathogenesis. ZIKV-inoculated mice developed conjunctivitis, panuveitis, and infection of the cornea, iris, optic nerve, and ganglion and bipolar cells in the retina. This phenotype was independent of the entry receptors Axl or Mertk, given that Axl−/−, Mertk−/−, and Axl−/−Mertk−/− double knockout mice sustained levels of infection similar to those of control animals. We also detected abundant viral RNA in tears, suggesting that virus might be secreted from lacrimal glands or shed from the cornea. This model provides a foundation for studying ZIKV-induced ocular disease, defining mechanisms of viral persistence, and developing therapeutic approaches for viral infections of the eye.

Countermeasures against Zika virus (ZIKV), including vaccines, are frequently tested in nonhuman primates (NHP). Macaque models are important for understanding how ZIKV infections impact human pregnancy due to similarities in placental development. The lack of consistent adverse pregnancy outcomes in ZIKV-affected pregnancies poses a challenge in macaque studies where group sizes are often small (4-8 animals). Studies in small animal models suggest that African-lineage Zika viruses can cause more frequent and severe fetal outcomes. No adverse outcomes were observed in macaques inoculated with a low dose of African-lineage ZIKV at gestational day (GD) 45. Here, we inoculate eight pregnant rhesus macaques with a higher dose of African-lineage ZIKV at GD 45 to test the hypothesis that adverse pregnancy outcomes are dose-dependent. Three of eight pregnancies ended prematurely with fetal death. ZIKV was detected in both fetal and placental tissues from all cases of early fetal loss. Further refinements of this challenge system (e.g., varying the dose and timing of infection) could lead to an even more consistent, unambiguous fetal loss phenotype for assessing ZIKV countermeasures in pregnancy. These data demonstrate that high-dose inoculation with African-lineage ZIKV causes pregnancy loss in macaques and also suggest that ZIKV-induced first trimester pregnancy could be strain-specific.

Abstract Human genetics have defined a new autism-associated syndrome caused by loss-of-function mutations in MYT1L , a transcription factor known for enabling fibroblast-to-neuron conversions. However, how MYT1L mutation causes autism, ADHD, intellectual disability, obesity, and brain anomalies is unknown. Here, we develop a mouse model of this syndrome. Physically, Myt1l haploinsufficiency causes obesity, white-matter thinning, and microcephaly in the mice, mimicking clinical phenotypes. During brain development we discovered disrupted gene expression, mediated in part by loss of Myt1l gene target activation, and identified precocious neuronal differentiation as the mechanism for microcephaly. In contrast, in adults we discovered that mutation results in failure of transcriptional and chromatin maturation, echoed in disruptions in baseline physiological properties of neurons. This results in behavioral anomalies including hyperactivity, muscle weakness and fatigue, and social alterations with more severe phenotypes in males. Overall, our findings provide insight into the mechanistic underpinnings of this disorder and enable future preclinical studies.

Abstract In the 2016 Zika virus (ZIKV) pandemic, a previously unrecognized risk of birth defects surfaced in babies whose mothers were infected with Asian-lineage ZIKV during pregnancy. Less is known about the impacts of gestational African-lineage ZIKV infections. Given high human immunodeficiency virus (HIV) burdens in regions where African-lineage ZIKV circulates, we evaluated whether pregnant rhesus macaques infected with simian immunodeficiency virus (SIV) have a higher risk of African-lineage ZIKV-associated birth defects. Remarkably, in both SIV+ and SIV-animals, ZIKV infection early in the first trimester caused a high incidence (78%) of spontaneous pregnancy loss within 20 days. These findings suggest a significant risk for early pregnancy loss associated with African-lineage ZIKV infection and provide the first consistent ZIKV-associated phenotype in macaques for testing medical countermeasures.

Abstract In vitro studies indicate the neurodevelopmental disorder gene Myelin Transcription Factor 1 Like (MYT1L) suppresses non-neuronal lineage genes during fibroblast-to-neuron direct differentiation. However, MYT1L’s molecular and cellular functions during differentiation in the mammalian brain have not been fully characterized. Here, we found that MYT1L loss leads to up-regulated deep layer (DL) but down-regulated upper layer (UL) neuron gene expression, corresponding to an increased ratio of DL/UL neurons in mouse cortex. To define potential mechanisms, we conducted Cleavage Under Targets & Release Using Nuclease (CUT&RUN) to map MYT1L binding targets in mouse developing cortex and adult prefrontal cortex (PFC), and to map epigenetic changes due to MYT1L mutation. We found MYT1L mainly binds to open chromatin, but with different transcription factor co-occupancies between promoters and enhancers. Likewise, multi-omic dataset integration revealed that, at promoters, MYT1L loss does not change chromatin accessibility but does increase H3K4me3 and H3K27ac, activating both a subset of earlier neuronal development genes as well as Bcl11b , a key regulator for DL neuron development. Meanwhile, we discovered that MYT1L normally represses the activity of neurogenic enhancers associated with neuronal migration and neuronal projection development by closing chromatin structures and promoting removal of active histone marks. Further, we show MYT1L interacts with SIN3B and HDAC2 in vivo , providing potential mechanisms underlying any repressive effects on histone acetylation and gene expression. Overall, our findings provide a comprehensive map of MYT1L binding in vivo and mechanistic insights to how MYT1L facilitates neuronal maturation.

One third of infants who have prenatal Zika virus (ZIKV) exposure and lack significant defects consistent with congenital Zika syndrome (CZS) manifest neurodevelopmental deficits in their second year of life. We hypothesized that prenatal ZIKV exposure would lead to brain abnormalities and neurodevelopmental delays in infant macaques, as measured by quantitative hearing, neurodevelopmental, ocular and brain imaging studies. We inoculated 5 pregnant rhesus macaques with ZIKV during the first trimester, monitored pregnancies with serial ultrasounds, determined plasma viral RNA (vRNA) loads, and evaluated the infants for birth defects and neurodevelopmental deficits during their first week of life. ZIKV-exposed and control infants (n=16) were evaluated with neurobehavioral assessments, ophthalmic examinations, optical coherence tomography, electroretinography with visual evoked potentials, hearing examinations, magnetic resonance imaging (MRI) of the brain, gross post mortem examination, and histopathological and vRNA analyses of approximately 40 tissues and fluids. All 5 dams had ZIKV vRNA in plasma and seroconverted following ZIKV inoculation. One pregnancy resulted in a stillbirth. The ZIKV-exposed infants had decreased cumulative feeding volumes and weight gains compared with control infants, and also had grey matter abnormalities in the pharyngeal motor cortex identified by quantitative voxel-based morphometric comparisons. Quantitative ocular studies identified differences between ZIKV-exposed and control infants in retinal layer thicknesses and electroretinograms that were not identified in qualitative ophthalmic evaluations. Despite these findings of neuropathology, no ZIKV vRNA or IgM was detected in the infants. This suggests that ZIKV exposure without measurable vertical transmission can affect brain development in utero and that subtle neurodevelopmental delays may be detected with quantitative analyses in early infancy. Quantitative brain analyses, such as these, may predict neurodevelopmental delays that manifest later in childhood and allow early intervention and targeted therapies to improve functional outcomes of ZIKV exposed children.

ABSTRACT Zika virus (ZIKV) is a flavivirus that causes a constellation of adverse fetal outcomes collectively termed Congenital Zika Syndrome (CZS). However, not all pregnancies exposed to ZIKV result in an infant with apparent defects. During the 2015-2016 American outbreak of ZIKV, CZS rates varied by geographic location. The underlying mechanisms responsible for this heterogeneity in outcomes have not been well defined. Therefore, we sought to characterize and compare the pathogenic potential of multiple Asian/American-lineage ZIKV strains in an established Ifnar1 −/− pregnant mouse model. Here, we show significant differences in the rate of fetal demise following maternal inoculation with ZIKV strains from Puerto Rico, Panama, Mexico, Brazil, and Cambodia. Rates of fetal demise broadly correlated with maternal viremia but were independent of fetus and placenta virus titer, indicating that additional underlying factors contribute to fetus outcome. Our results, in concert with those from other studies, suggest that subtle differences in ZIKV strains may have important phenotypic impacts. With ZIKV now endemic in the Americas, greater emphasis needs to be placed on elucidating and understanding the underlying mechanisms that contribute to fetal outcome. IMPORTANCE Zika virus (ZIKV) actively circulates in 89 countries and territories around the globe. ZIKV infection during pregnancy is associated with adverse fetal outcomes including birth defects, microcephaly, neurological complications, and even spontaneous abortion. Rates of adverse fetal outcomes vary between regions, and not every pregnancy exposed to ZIKV results in birth defects. Not much is known about how or if the infecting ZIKV strain is linked to fetal outcomes. Our research provides evidence of phenotypic heterogeneity between Asian/American-lineage ZIKV strains and provides insight into the underlying causes of adverse fetal outcomes. Understanding ZIKV strain-dependent pathogenic potential during pregnancy and elucidating underlying causes of diverse clinical sequelae observed during human infections is critical to understanding ZIKV on a global scale.