SUMMARY An H7N9 low pathogenicity avian influenza virus (LPAIV) emerged through genetic reassortment between H9N2 and other LPAIVs circulating in birds in China. This virus causes inapparent clinical disease in chickens, but zoonotic transmission results in severe and fatal disease in humans. We evaluated the consequences of reassortment between the H7N9 and the contemporary H9N2 viruses of G1 lineage that are enzootic in poultry across the Indian sub-continent and the Middle East. Co-infection of chickens with these viruses resulted in emergence of novel reassortant H9N9 viruses carrying genes derived from both H9N2 and H7N9 viruses. These reassortant H9N9 viruses showed significantly increased replication fitness, enhanced pathogenicity in chicken embryos and the potential to transmit via contact among ferrets. Our study highlights that the co-circulation of H7N9 and H9N2 viruses could represent a threat for the generation of novel reassortant viruses with greater virulence in poultry and an increased zoonotic potential. Graphical Abstract In Brief H9N2 viruses have a high propensity to reassort with other avian influenza viruses. We found that co-infection of chickens with H9N2 and H7N9 led to the emergence of reassortant viruses including the H9N9 subtype. Some reassortant H9N9 viruses exhibited increased replication fitness, increased pathogenicity in the chicken embryo, greater avidity for human and avian cell receptors, lower pH fusion and contact-transmission to ferrets. This study demonstrated the ability of viruses that already exist in nature to exchange genetic material, highlighting the potential emergence of viruses from these subtypes with increased zoonotic potential. There are nine H9 influenza A subtypes carrying different neuraminidase (NA) genes, including H9N9 viruses, while they are not common they do exist in nature as wildtypes (CDC). Highlights Co-infection of chickens with H7N9 and H9N2 led to emergence of reassortant H9N9 viruses Reassortant H9N9 viruses had an increased replication rate in avian and human cells Reassortant H9N9 viruses had a lower pH fusion and significantly higher receptor binding to α 2,3 sialoglycans Reassortant H9N9 replicated in ferrets at similar levels compared to H7N9 and transmitted via direct contact Ferrets exposed to reassortant H9N9 by aerosol contact were also found to be seropositive Experimental simulation of events that may occur naturally with circulating viruses has demonstrated the risk of emergence of viruses with increased zoonotic potential.

Abstract Receptor recognition and binding is the first step of viral infection and a key determinant of host specificity. The inability of avian influenza viruses to effectively bind human-like sialylated receptors is a major impediment to their efficient transmission in humans and pandemic capacity. Influenza H9N2 viruses are endemic in poultry across Asia and parts of Africa where they occasionally infect humans and are therefore considered viruses with zoonotic potential. We previously described H9N2 viruses, including several isolated from human zoonotic cases, showing a preference for human-like receptors. Here we take a mutagenesis approach, making viruses with single or multiple substitutions in H9 haemagglutinin to determine the genetic basis of preferences for alternative avian receptors and for human-like receptors. We describe amino acid motifs at positions 190, 226 and 227 that play a major role in determining receptor specificity, and several other residues such as 159, 188, 193, 196, 198 and 225 play a smaller role. Furthermore, we show changes at residues 135, 137, 147, 157, 158, 184, 188, and 192 can also modulate virus receptor avidity and that substitutions that increased or decreased the net positive charge around the haemagglutinin receptor-binding site show increases and decreases in avidity, respectively. The motifs we identify as increasing preference for the human-receptor will help guide future H9N2 surveillance efforts and facilitate our understanding of the emergence of influenza viruses with high zoonotic potential. Author Summary As of 2020, over 60 infections of humans by H9N2 influenza viruses have been recorded in countries were the virus is endemic. Avian-like cellular receptors are the primary target for these viruses. However, given that human infections have been detected on an almost monthly basis since 2015, there may be a capacity for H9N2 viruses to evolve and gain the ability to target human-like cellular receptors. Here we identify molecular signatures that can cause viruses to bind human-like receptors, and we identify the molecular basis for the distinctive preference for sulphated receptors displayed by the majority of recent H9N2 viruses. This work will help guide future surveillance by providing markers that signify the emergence of viruses with enhanced zoonotic potential as well as improving understanding the basis of influenza virus receptor-binding.

Abstract Influenza A viruses encode several accessory proteins that have host- and strain-specific effects on virulence and replication. The accessory protein PA-X is expressed due to a ribosomal frameshift during translation of the PA gene. Depending on the particular combination of virus strain and host species, PA-X has been described as either acting to either reduce or increase virulence and/or virus replication. In this study, we set out to investigate the role PA-X plays in H9N2 avian influenza viruses, focussing particularly on the natural avian host, chickens. We found H9N2 PA-X induced robust host shutoff in both mammalian and avian cells and increased replication in mammalian, but not avian cells. We further showed that PA-X affected embryonic lethality in ovo and led to more rapid viral shedding and widespread organ dissemination in vivo in chickens. Overall, we conclude PA-X may act as a virulence factor for H9N2 viruses in chickens, allowing faster replication and wider organ tropism.

Abstract H9N2 avian influenza viruses (AIVs) have donated internal gene segments during the emergence of zoonotic AIVs, including H7N9. We used reverse genetics to generate three reassortant viruses (2:6 H7N9) which contained the Haemagglutinin and Neuraminidase from Anhui/13 (H7N9) and the six internal gene segments from H9N2 AIVs of G1-like or BJ94-like lineages enzootic in different geographic regions in Asia. Infection of chickens with the 2:6 H7N9 containing internal gene segments from G1-like H9N2 conferred attenuation in vivo, with lower shedding and reduced transmission to contact chickens. However, possession of BJ94-like H9N2 internal gene segments resulted in more rapid transmission and significantly elevated cloacal shedding compared to the parental Anhui/13 H7N9. In vitro analysis also showed that the 2:6 H7N9 having BJ94-like internal genes had significantly increased replication compared to the Anhui/13 H7N9 in chicken cells. In vivo co-infection experiments followed, where chickens were co-infected with pairs of Anhui/13 H7N9 and one of each of the three 2:6 H7N9 reassortants. During ensuing transmission events, the Anhui/13 H7N9 virus outcompeted 2:6 H7N9 with internal gene segments of BJ94-like or G1-like H9N2 viruses. Co-infection did lead to the emergence of novel reassortant genotypes that were transmitted to contact chickens. Some of the reassortant viruses had a greater replication in chicken and human cells compared to the progenitors. We demonstrated that the internal gene cassette determines the transmission fitness of H7N9 viruses in chickens and the reassortment events can generate novel H7N9 genotypes with increased virulence in chickens and enhanced zoonotic potential. Importance H9N2 avian influenza viruses (AIVs) are enzootic in poultry in different geographical regions. The internal genes of these viruses can be exchanged with other zoonotic AIVs, most notably the China-origin H7N9 that can give rise to new virus genotypes with increased veterinary, economic and public health threats to both poultry and humans. We investigated the propensity of the internal genes of H9N2 viruses (G1 or BJ94) in the generation of novel reassortant H7N9 AIVs. We observed that the internal genes of H7N9 which were derivative of BJ94-like H9N2 virus have a fitness advantage compared to those from the G1-like H9N2 viruses for efficient transmission among chickens. We also observed the generation of novel reassortant viruses during chicken transmission which infected and replicated efficiently in human cells. Therefore, such emergent reassortant genotypes may pose an elevated zoonotic threat.

ABSTRACT Since 2013, H7N9 avian influenza viruses (AIVs) have caused more than 1500 human deaths and millions of poultry culling. Despite large-scale poultry vaccination, H7N9 AIVs continue to circulate among poultry in China and pose a threat to human health. Previously, we isolated and generated four monoclonal antibodies (mAbs) derived from humans naturally infected with H7N9 AIV. Here, we investigated the haemagglutinin (HA) epitopes of H7N9 AIV targeted by these mAbs (L3A-44, K9B-122, L4A-14 and L4B-18) using immune escape studies. Our results revealed four key antigenic epitopes at HA amino acid positions 125, 133, 149, and 217. The mutant H7N9 viruses representing escape mutations containing Alanine to Threonine at residue 125 (A125T), Glycine to Glutamic acid at residue 133 (G133E), Asparagine to Aspartic acid at residue 149 (N149D), or Leucine to Glutamine at residue 217 (L217Q) showed reduced or completely abolished cross-reactivity with the mAbs, as measured by hemagglutination inhibition (HI) assay. We further assessed the potential risk of these mutants to humans should they emerge following mAb treatment by measuring the impact of these HA mutations on virus fitness and evasion of host adaptive immunity. Here we showed that the L4A-14 mAb had broad neutralizing capability, and its escape mutant N149D had reduced viral stability and human receptor binding and could be neutralized by both post-infection and antigen-induced sera. Therefore, L4A-14 mAb could be a therapeutic candidate for H7N9 AIV infection in humans and warrants further investigation for therapeutic application. IMPORTANCE Avian Influenza virus (AIV) H7N9 continues to circulate and evolve in birds, posing a credible threat to humans. Antiviral drugs have been proven useful for the treatment of severe influenza infections in humans, however, concerns have been raised as antiviral resistant mutants have emerged. Monoclonal antibodies (mAbs) have been studied for both prophylactic and therapeutic applications in infectious disease control and have demonstrated great potential. For example, mAb treatment has significantly reduced the risk of people developing severe disease with SARS-COV 2 infection. In addition to the protection efficiency, we should also consider the potential risk of the escape mutants generated by mAb treatment to public health by assessing their viral fitness and potential to compromise host adaptive immunity. Considering these parameters, we assessed four human mAbs derived from humans naturally infected with H7N9 AIV and showed that the mAb L4A-14 displayed potential as a therapeutic candidate.

Abstract H9N2 avian influenza viruses circulate in poultry throughout much of Asia, the Middle East and Africa. These viruses cause huge economic damage to poultry production systems and pose a zoonotic threat both in their own right as well as in the generation of novel zoonotic viruses, for example H7N9. In recent years it has been observed that H9N2 viruses have further adapted to poultry, becoming more highly transmissible and causing higher morbidity and mortality. Here, we investigate the molecular basis for this increased virulence, comparing a virus from the 1990s and a contemporary field strain. The modern virus replicated to higher titres in various systems and this difference mapped to a single amino acid polymorphism at position 26 of the endonuclease domain shared by the PA and PA-X proteins. This change was responsible for the virulent phenotype and extended tissue tropism seen in chickens. Although the PA K26E change correlated with increased host cell shutoff activity of the PA-X protein in vitro , it could not be overridden by frameshift site mutations that block PA-X expression and therefore increased PA-X activity could not explain the differences in replication phenotype. Instead, this indicates these differences are due to subtle effects on PA function. This work gives insight into the ongoing evolution and poultry adaptation of H9N2 and other avian influenza viruses and helps us understand the soaring morbidity and mortality rates in the field, as well as rapidly expanding geographical range seen in these viruses. Author Summary Avian influenza viruses, such as H9N2, cause huge economic damage to poultry production worldwide and are additionally considered potential pandemic threats. Understanding how these viruses evolve in their natural hosts is key to effective control strategies. In the Middle East and South Asia an older H9N2 virus strain has been replaced by a new reassortant strain with greater fitness. Here we take representative viruses and investigate the genetic basis for this ‘fitness’. A single mutation in the virus was responsible for greater fitness, enabling high growth of the contemporary H9N2 virus in cells, as well as in chickens. The genetic mutation that modulates this change is within the viral PA protein, a part of the virus polymerase gene that contributes in viral replication as well as contribute in the virus accessory functions – however we find that the fitness effect is specifically due to changes in the protein polymerase activity.

H9N2 avian influenza viruses pose a global threat to animal and human health. While vaccination is essential for mitigating disease impact, these viruses evolve to evade vaccine immunity through changes in the haemagglutinin (HA) glycoprotein. In this study, we identified immune escape mutation in an H9N2 virus resulting from pressure exerted by homologous chicken antisera. The immune-escape variant acquired an amino acid substitution, replacing glycine (G) with glutamic acid (E) at position 149 in the HA protein. The G149E mutant virus lost the ability to agglutinate chicken erythrocytes, while still maintaining replication comparable to the wild-type virus in chicken embryos and cells. This led to the hypothesis that the G149E substitution, leading to a shift from a neutral to a negative charge polarity at HA position 149, might be crucial for the optimal interaction between the virus and receptors on erythrocytes. Investigation indicated that agglutination could be restored by substituting E to positively charged amino acids histidine (H), arginine (R) or lysine (K). These findings suggest that the H9N2 virus may be likely acquire the G149E mutation under immune pressure in nature. This mutation poses challenges to vaccination and surveillance efforts as it partially evades immune protection and is not easily detectable by conventional haemagglutination assays. This underscores the intricate interplay between antigenic variation and viral traits, emphasising the critical need for ongoing surveillance and research to effectively mitigate the risks associated with avian influenza H9N2 viruses.

Abstract Avian influenza viruses (AIVs) are a major economic burden to the poultry industry, and pose serious zoonotic risk, with human infections being reported every year. To date, the vaccination of birds remains the most important method for the prevention and control of AIV outbreaks. Most national vaccination strategies against AIV infection use whole-virus inactivated vaccines, which predominantly trigger a systemic antibody-mediated immune response. There are currently no studies that have examined the antibody repertoire of birds that were infected with and/or vaccinated against AIV. To this end, we evaluate the changes in the H9N2-specific IgM and IgY repertoires in chickens subjected to vaccination(s) and/or infectious challenge. We show that a large proportion of the IgM and IgY clones were shared across multiple individuals, and these public clonal responses are dependent on both the immunisation status of the birds and the specific tissue that was examined. Furthermore, analysis reveals specific clonal expansions which are restricted to particular H9N2 immunisation regimes. These results indicate that both the nature and number of immunisations are important drivers of the antibody responses and repertoire profiles in chickens following H9N2 antigenic stimulation. We discuss how the repertoire biology of avian B cell responses may affect the success of AIV vaccination in chickens, in particular the implications of public versus private clonal selection.