Herpesvirus latency is generally thought to be governed by epigenetic modifications, but the dynamics of viral chromatin at early timepoints of latent infection are poorly understood. Here, we report a comprehensive spatial and temporal analysis of DNA methylation and histone modifications during latent infection with Kaposi Sarcoma-associated herpesvirus (KSHV), the etiologic agent of Kaposi Sarcoma and primary effusion lymphoma (PEL). By use of high resolution tiling microarrays in conjunction with immunoprecipitation of methylated DNA (MeDIP) or modified histones (chromatin IP, ChIP), our study revealed highly distinct landscapes of epigenetic modifications associated with latent KSHV infection in several tumor-derived cell lines as well as de novo infected endothelial cells. We find that KSHV genomes are subject to profound methylation at CpG dinucleotides, leading to the establishment of characteristic global DNA methylation patterns. However, such patterns evolve slowly and thus are unlikely to control early latency. In contrast, we observed that latency-specific histone modification patterns were rapidly established upon a de novo infection. Our analysis furthermore demonstrates that such patterns are not characterized by the absence of activating histone modifications, as H3K9/K14-ac and H3K4-me3 marks were prominently detected at several loci, including the promoter of the lytic cycle transactivator Rta. While these regions were furthermore largely devoid of the constitutive heterochromatin marker H3K9-me3, we observed rapid and widespread deposition of H3K27-me3 across latent KSHV genomes, a bivalent modification which is able to repress transcription in spite of the simultaneous presence of activating marks. Our findings suggest that the modification patterns identified here induce a poised state of repression during viral latency, which can be rapidly reversed once the lytic cycle is induced.

Abstract Latent Kaposi sarcoma-associated herpesvirus (KSHV) genomes rapidly acquire distinct patterns of the activating histone modification H3K4-me3 as well as repressive H3K27-me3 marks, a modification linked to transcriptional silencing by polycomb repressive complexes (PRC). Interestingly, PRCs have recently been reported to restrict viral gene expression in a number of other viral systems, suggesting they may play a broader role in controlling viral chromatin. If so, it is an intriguing possibility that latency establishment may result from viral subversion of polycomb-mediated host responses to exogenous DNA. To investigate such scenarios we sought to establish whether rapid repression by PRC constitutes a general hallmark of herpesvirus latency. For this purpose, we performed a comparative epigenome analysis of KSHV and the related murine gammaherpesvirus 68 (MHV-68). We demonstrate that, while latently replicating MHV-68 genomes readily acquire distinct patterns of activation-associated histone modifications upon de novo infection, they fundamentally differ in their ability to efficiently attract H3K27-me3 marks. Statistical analyses of ChIP-seq data from in vitro infected cells as well as in vivo latency reservoirs furthermore suggest that, whereas KSHV rapidly attracts PRCs in a genome-wide manner, H3K27-me3 acquisition by MHV-68 genomes may require spreading from initial seed sites to which PRC are recruited as the result of an inefficient or stochastic recruitment, and that immune pressure may be needed to select for latency pools harboring PRC-silenced episomes in vivo . Using co-infection experiments and recombinant viruses, we also show that KSHV’S ability to rapidly and efficiently acquire H3K27-me3 marks does not depend on the host cell environment or unique properties of the KSHV-encoded LANA protein, but rather requires specific cis-acting sequence features. We show that the non-canonical PRC1.1 component KDM2B, a factor which binds to unmethylated CpG motifs, is efficiently recruited to KSHV genomes, indicating that CpG island characteristics may constitute these features. In accord with the fact that, compared to MHV-68, KSHV genomes exhibit a fundamentally higher density of CpG motifs, we furthermore demonstrate efficient acquisition of H2AK119-ub by KSHV and H3K36-me2 by MHV-68 (but not vice versa), furthermore supporting the notion that KSHV genomes rapidly attract PRC1.1 complexes in a genome-wide fashion. Collectively, our results suggest that rapid PRC silencing is not a universal feature of viral latency, but that some viruses may rather have adopted distinct genomic features to specifically exploit default host pathways that repress epigenetically naive, CpG-rich DNA. Author Summary During herpesvirus latency, viral genomes persists as partially repressed nuclear episomes which do not express genes required for progeny production. Latently infected cells not only form a reservoir of lifelong persistence but also represent the driving force in cancers associated with tumorigenic herpesviruses such as KSHV. Hence, it is fundamentally important to understand the mechanisms controlling latency. We have shown previously that latent KSHV episomes rapidly acquire H3K27-me3, a histone mark associated with polycomb repressive complexes (PRC). PRCs play a pivotal role in the control of developmental genes but are also involved in the pathogenesis of several tumors. We here investigated whether PRC-repression represents a general feature of herpesvirus latency. By performing side-by-side analyses of KSHV and the related MHV-68 we show that the latter indeed has a fundamentally lower propensity to acquire H3K27-me3, and that KSHV’S ability to rapidly attract this mark is most likely the result of a specific sequence composition that promotes recruitment of non-canonical PRC1 (a complex which is important for the regulation of cellular CpG islands). Our results have widespread implications for nuclear DNA viruses and suggest that some viruses have specifically evolved to exploit common host responses to epigenetically naive DNA.

ABSTRACT The ubiquitous host protein, CCCTC-binding factor (CTCF), is an essential regulator of cellular transcription and functions to maintain epigenetic boundaries, stabilise chromatin loops and regulate splicing of alternative exons. We have previously demonstrated that CTCF binds to the E2 open reading frame (ORF) of human papillomavirus (HPV) 18 and functions to repress viral oncogene expression in undifferentiated keratinocytes by co-ordinating an epigenetically repressed chromatin loop within HPV episomes. Cellular differentiation, which is necessary for HPV life cycle completion disrupts CTCF-dependent chromatin looping of HPV18 episomes inducing enhanced activity of the HPV18 early promoter P 105 and increased viral oncogene expression. To further characterise CTCF function in HPV transcription control we utilised direct, long-read Nanopore RNA-sequencing which provides information on the structure and abundance of full-length transcripts. Nanopore analysis of primary human keratinocytes containing HPV18 episomes before and after synchronous differentiation allowed quantification of viral transcript species in these cultures, including the identification of low abundance novel transcripts. Comparison of transcripts produced in wild type HPV18 genome-containing cells to those identified in CTCF-binding deficient genome-containing cells (HPV18-ΔCTCF) identifies CTCF as a key regulator of differentiation-dependent late promoter activation, required for efficient E1^E4 and L1 protein expression. Furthermore, our data show that CTCF binding at the E2 ORF of HPV18 promotes usage of the downstream weak splice donor (SD) sites SD3165 and SD3284, to the dominant E4 splice acceptor site at nucleotide 3434. These findings demonstrate importance of CTCF-dependent transcription regulation at multiple stages of the HPV life cycle. IMPORTANCE Oncogenic human papillomavirus (HPV) infection is the cause of a subset of epithelial cancers of the uterine cervix, other anogenital areas and the oropharynx. HPV infection is established in the basal cells of epithelia where a restricted programme of viral gene expression is required for replication and maintenance of the viral episome. Completion of the HPV life cycle is dependent on the maturation (differentiation) of infected cells which induces enhanced viral gene expression and induction of capsid production. We previously reported that the host cell transcriptional regulator, CTCF, is hijacked by HPV to control viral gene expression. In this study, we use long-read mRNA sequencing to quantitatively map the variety and abundance of HPV transcripts produced in early and late stages of the HPV life cycle and to dissect the function of CTCF in controlling HPV gene expression and transcript processing.

Abstract Herpesvirus genome replication, capsid assembly and packaging take place in the host cell nucleus. Matured capsids leave the nucleus through a unique envelopment-de-envelopment process at the nuclear membranes called nuclear egress. How assembled and DNA-containing herpesvirus capsids reach the sites of nuclear egress is however still controversially discussed, as host chromatin that marginalizes during infection might constitute a major barrier. For alphaherpesviruses, previous work has suggested that nuclear capsids use active transport mediated by nuclear filamentous actin (F-actin). However, direct evidence for nuclear capsid motility on nuclear F-actin was missing. Our subsequent work did not detect nuclear F-actin associated with motile capsids, but instead found evidence for chromatin remodeling to facilitate passive capsid diffusion. A recent report described that human cyto-megalovirus, a betaherpesvirus, induces nuclear F-actin and that the motor protein myosin V localizes to these structures. Direct evidence of capsid recruitment to these structures and motility on them was however missing. In this study, we tested the functional role of HCMV-induced, nuclear actin assemblies for capsid transport. We did not observe transport events along nuclear F-actin. Instead, reproduction of nuclear F-actin was only possible using strong overexpression of the fluorescent marker LifeAct-mCherry-NLS. Also, two alternative fluo-rescent F-actin markers did not detect F-actin in HCMV-infected cells. Furthermore, single particle tracking of nuclear HCMV capsids showed no indication for active transport, which is in line with previous work on alphaherpesviruses.

Abstract Stroke and central nervous system dysfunction are cardinal symptoms in critically ill corona virus disease 19 (COVID-19) patients. In an autopsy series of 32 COVID-19 patients, we investigated whether carotid arteries were infected with SARS-CoV-2 by employing genomic, virologic, histochemical and transcriptomic analyses. We show that SARS-CoV-2 productively infects and modulates vascular responses in carotid arteries. This finding has far reaching implications for the understanding and clinical treatment of COVID-19.

Abstract Induction of type I interferon (IFN) gene expression is among the first lines of cellular defence a virus encounters during primary infection. We previously identified the tegument protein M35 of murine cytomegalovirus (MCMV) as an essential antagonist of this antiviral system. M35 localizes to the nucleus and interferes with type I IFN induction downstream of pattern-recognition receptor (PRR) activation. Here, we report structural and mechanistic details of M35’s function. Using electrophoretic mobility shift assays (EMSA), we demonstrate that purified M35 protein specifically binds to the regulatory DNA element that governs transcription of the first type I IFN gene induced in non-immune cells, Ifnb1 . Determination of M35’s crystal structure combined with reverse genetics revealed that homodimerisation is a key feature for M35’s immunomodulatory activity. DNA-binding sites of M35 overlapped with the recognition elements of interferon regulatory factor 3 (IRF3), a key transcription factor activated by PRR signalling. Chromatin immunoprecipitation (ChIP) showed reduced binding of IRF3 to the host Ifnb1 promoter in the presence of M35. We furthermore defined the IRF3-dependent and the type I IFN signalling-responsive genes in murine fibroblasts by RNA sequencing of metabolically labelled transcripts (SLAM-seq), and assessed M35’s global effect on gene expression. Stable expression of M35 broadly influenced the transcriptome in untreated cells and specifically down-regulated basal expression of IRF3-dependent genes, and during MCMV infection, M35 impaired expression of IRF3-responsive genes aside of Ifnb1 . Our results suggest that M35-DNA binding directly antagonises gene induction by IRF3 and impairs the antiviral response more broadly than formerly recognised. Importance Replication of the ubiquitous human cytomegalovirus (CMV) in healthy individuals mostly goes unnoticed, but can impair foetal development or cause life-threatening symptoms in immunosuppressed or -deficient patients. Like other herpesviruses, CMV extensively manipulates its hosts and establishes lifelong latent infections. Murine CMV (MCMV) presents an important model system as it allows the study of CMV infection in the host organism. We previously showed that during entry, MCMV virions release the evolutionary conserved protein M35 protein to immediately dampen the antiviral type I interferon (IFN) response induced by pathogen detection. Here we show that M35 dimers bind to regulatory DNA elements and interfere with recruitment of interferon regulatory factor 3 (IRF3), a key factor for antiviral gene expression. Thereby, M35 interferes with expression of type I IFNs and other IRF3-dependent genes. Unrelated proteins from other herpesviruses employ the same mechanism, reflecting the importance for herpesviruses to avoid IRF3-mediated gene induction.

Abstract Various pathogens systematically reprogram gene expression in macrophages, but the underlying mechanisms are largely unknown. We investigated whether the enteropathogen Yersinia enterocolitica alters chromatin states to reprogram gene expression in primary human macrophages. Genome-wide chromatin immunoprecipitation (ChIP) seq analyses showed that pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) induced up- or down-regulation of histone modifications (HMod) at approximately 14500 loci in promoters and enhancers. Effectors of Y. enterocolitica reorganized about half of these dynamic HMod, with the effector YopP being responsible for about half of these modulatory activities. The reorganized HMod were associated with genes involved in immune response and metabolism. Remarkably, the altered HMod also associated with 61 % of all 534 known Rho GTPase pathway genes, revealing a new level in Rho GTPase regulation and a new aspect of bacterial pathogenicity. Changes in HMod were associated to varying degrees with corresponding gene expression, e. g. depending on chromatin localization and cooperation of the HMod. In summary, infection with Y. enterocolitica remodels HMod in human macrophages to modulate key gene expression programs of the innate immune response. Author Summary Human pathogenic bacteria can affect epigenetic histone modifications to modulate gene expression in host cells. However, a systems biology analysis of this bacterial virulence mechanism in immune cells has not been performed. Here we analyzed genome-wide epigenetic histone modifications and associated gene expression changes in primary human macrophages infected with enteropathogenic Yersinia enterocolitica . We demonstrate that Yersinia virulence factors extensively modulate histone modifications and associated gene expression triggered by the pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) of the bacteria. The epigenetically modulated genes are involved in several key pathways of the macrophage immune response, including the Rho GTPase pathway, revealing a novel level of Rho GTPase regulation by a bacterial pathogen. Overall, our findings provide an in-depth view of epigenetic and gene expression changes during host-pathogen interaction and might have further implications for understanding of the innate immune memory in macrophages.

Varicella zoster virus (VZV) is a human-specific herpesvirus that establishes latency in peripheral neurons. The only transcripts detected in infected human trigeminal ganglia (TG) obtained shortly after death correspond to the VZV latency-associated transcript (VLT) and associated VLT-ORF63 splice variants. In vitro studies showed that VLT-ORF63 is translated into a protein (pVLT-ORF63) that induces VZV transcription. The mechanisms that lead to this restricted gene expression and the transition to lytic replication remain unknown, partly due to the difficulty of working with human neurons. In this study, we addressed whether the neuroblastoma-derived cell line SH-SY5Y could serve as a model to investigate the mechanisms that lead to repression of VZV gene expression followed by reactivation. VZV productively infected differentiated SH-SY5Y (dSH-SY5Y) whereas incubation with acyclovir (ACV) inhibited virus replication and induced a progressive repression of the virus. Upon removal of ACV there was production of viral particles in a subset of cells, while others contained non-replicating VZV genomes and VLT-containing transcripts for at least 20 days post-infection (dpi). Exogenous expression of VLT-ORF63 induced productive infection, suggesting that the non-replicating and repressed genomes remained functional. Interestingly, histone deposition was undetectable at VZV genomes in quiescently infected dSH-SY5Y cells, pointing to a potential novel mechanism leading to VZV repression in this neuronal setting.

ABSTRACT Upon infection, human papillomavirus (HPV) manipulates host cell gene expression to create an environment that is supportive of a productive and persistent infection. The virus-induced changes to the host cell’s transcriptome are thought to contribute to carcinogenesis. Here, we show by RNA-sequencing that oncogenic HPV18 episome replication in primary human foreskin keratinocytes (HFKs) drives host transcriptional changes that are consistent between multiple HFK donors. We have previously shown that HPV18 episome replication in HFKs results in post-transcriptional stabilisation of the host chromatin insulation protein CTCF. Since CTCF is an important regulator of host cell transcription via coordination of epigenetic boundaries and long-range chromosomal interactions, we hypothesised that HPV18-induced stabilisation of CTCF may contribute to host transcription reprogramming. Analysis of CTCF binding in the host cell genome by ChIP-Seq revealed that while the total number of CTCF binding sites is not altered by the virus, there are a sub-set of CTCF binding sites that are either enriched or depleted of CTCF. Many of these altered sites are clustered within regulatory elements of differentially expressed genes, including the tumour suppressor gene cell adhesion molecule 1 ( CADM1 ), which supresses epithelial cell growth and invasion. We show that HPV18 establishment results in reduced CTCF binding at the CADM1 promoter and upstream enhancer. Loss of CTCF binding is coincident with epigenetic repression of CADM1, in the absence of CpG hypermethylation, while adjacent genes including the transcriptional regulator ZBTB16 are activated. These data indicate that the CADM1 locus is subject to topological rearrangement following HPV18 establishment. We tested this hypothesis using 4C-Seq (circular chromosome confirmation capture-sequencing) and show that HPV18 establishment causes a loss of long-range chromosomal interactions between the CADM1 transcriptional start site and the upstream transcriptional enhancer. These data show that HPV18 manipulates host cell promoter-enhancer interactions to drive transcriptional reprogramming that may contribute to HPV-induced disease progression. AUTHOR SUMMARY Infection with oncogenic HPV is the cause of numerous cancer types, which generally arise after persistent HPV infection. Upon infection, HPV alters the gene expression profile of infected cells to facilitate virus replication and persistence. Multiple mechanisms of HPV-induced host cell reprogramming have been previously suggested. Here, we show that HPV infection induces rearrangement of specific genomic loci by altering the chromatin binding of the host cell protein CTCF, an important regulator of chromatin architecture. Loss of CTCF binding to a cluster of binding sites at the CADM1 locus on chromosome 11 is coincident with epigenetic reprogramming and disruption of long-range chromatin interactions, resulting in transcriptional repression of CADM1 . Our data show that repression of CADM1 is an early event in HPV-driven disease, preceding hypermethylation of the CADM1 transcriptional promoter that is frequently observed in HPV-driven cancers, demonstrating a novel mechanism of HPV-induced host cell transcriptional reprogramming.

Abstract Merkel Cell Polyomavirus (MCPyV) is the etiological agent of the majority of Merkel Cell Carcinomas (MCC). MCPyV positive MCCs harbor integrated, defective viral genomes that constitutively express viral oncogenes. Which molecular mechanisms promote viral integration, if distinct integration patterns exist, and if integration occurs preferentially at loci with specific chromatin states is unknown. We here combined short and long-read (nanopore) next-generation sequencing and present the first high-resolution analysis of integration site structure in MCC cell lines as well as primary tumor material. We find two main types of integration site structure: Linear patterns with chromosomal breakpoints that map closely together, and complex integration loci that exhibit local amplification of genomic sequences flanking the viral DNA. Sequence analysis suggests that linear patterns are produced during viral replication by integration of defective/linear genomes into host DNA double strand breaks via non-homologous end joining, NHEJ. In contrast, our data strongly suggest that complex integration patterns are mediated by microhomology-mediated break-induced replication, MMBIR. Furthermore, we show by ChIP-Seq and RNA-Seq analysis that MCPyV preferably integrates in open chromatin and provide evidence that viral oncogene expression is driven by the viral promoter region, rather than transcription from juxtaposed host promoters. Taken together, our data explain the characteristics of MCPyV integration and may also provide a model for integration of other oncogenic DNA viruses such as papillomaviruses. Author summary Integration of viral DNA into the host genome is a key event in the pathogenesis of many virus-induced cancers. One such cancer is Merkel cell carcinoma (MCC), a highly malignant tumor that harbors monoclonally integrated and replication-defective Merkel cell polyomavirus (MCPyV) genomes. Although MCPyV integration sites have been analyzed before, there is very little knowledge of the mechanisms that lead to mutagenesis and integration of viral genomes. We used multiple sequencing technologies and interrogation of chromatin states to perform a comprehensive characterization of MCPyV integration loci. This analysis allowed us to deduce the events that likely precede viral integration. We provide evidence that the mutations which result in the replication defective phenotype are acquired prior to integration and propose that the cellular DNA repair pathways non-homologous end joining (NHEJ) and microhomology-mediated break-induced replication (MMBIR) produce two principal MCPyV integration patterns (simple and complex, respectively). We show that, although MCPyV integrates predominantly in open chromatin regions, viral oncogene expression is independent of host promoters and driven by the viral promotor region. Our findings are important since they can explain the mechanisms of MCPyV integration. Furthermore, our model may also apply to papillomaviruses, another clinically important family of oncogenic DNA viruses.