Taking CRISPR technology further CRISPR techniques are allowing the development of technologies for nucleic acid detection (see the Perspective by Chertow). Taking advantages of the distinctive enzymatic properties of CRISPR enzymes, Gootenberg et al. developed an improved nucleic acid detection technology for multiplexed quantitative and highly sensitive detection, combined with lateral flow for visual readout. Myhrvold et al. added a sample preparation protocol to create a field-deployable viral diagnostic platform for rapid detection of specific strains of pathogens in clinical samples. Cas12a (also known as Cpf1), a type V CRISPR protein, cleaves double-stranded DNA and has been adapted for genome editing. Chen et al. discovered that Cas12a also processes single-stranded DNA threading activity. A technology platform based on this activity detected human papillomavirus in patient samples with high sensitivity. Science , this issue p. 439 , p. 444 , p. 436 ; see also p. 381

How viruses evolve within hosts can dictate infection outcomes; however, reconstructing this process is challenging. We evaluate our multiplexed amplicon approach, PrimalSeq, to demonstrate how virus concentration, sequencing coverage, primer mismatches, and replicates influence the accuracy of measuring intrahost virus diversity. We develop an experimental protocol and computational tool, iVar, for using PrimalSeq to measure virus diversity using Illumina and compare the results to Oxford Nanopore sequencing. We demonstrate the utility of PrimalSeq by measuring Zika and West Nile virus diversity from varied sample types and show that the accumulation of genetic diversity is influenced by experimental and biological systems.

One hundred and ten Zika virus genomes from ten countries and territories involved in the Zika virus epidemic reveal rapid expansion of the epidemic within Brazil and multiple introductions to other regions. Three papers in this issue present a wealth of new Zika virus (ZIKV) genome sequences and further insights into the genetic epidemiology of ZIKV. Nathan Grubaugh et al. provide 39 new ZIKV genome sequences from infected patients and Aedes aegypti mosquitoes in Florida. Phylogenetic analysis suggests that the virus has been introduced on multiple separate occasions, probably linked to travel from the Caribbean. They find a low probability of long-term persistence of ZIKV transmission chains within Florida, suggesting that the potential for future ZIKV outbreaks there will depend on transmission dynamics in the Americas. Nuno Faria et al. and Hayden Metsky et al. reconstruct the spread of ZIKV in Brazil and the Americas. Faria et al. provide 54 new ZIKV genomes, several sequenced in real time in a mobile genomics laboratory. They trace the spatial origins and spread of ZIKV in Brazil and the Americas and date the timing of the international spread of ZIKV from Brazil. They find that northeast Brazil had a crucial role in the establishment of the epidemic and the spread of the virus within Brazil and the Americas. Metsky et al. generate 110 ZIKV genomes from clinical and mosquito samples from ten regions. They also see rapid expansion of the epidemic within Brazil and multiple introductions to other geographic areas. In agreement with Faria et al., they find that ZIKV circulated unobserved for many months before transmission was detected. Metsky et al. additionally describe ZIKV evolution and discuss how the accumulation of mutations might affect the performance of diagnostic tests in the future. Although the recent Zika virus (ZIKV) epidemic in the Americas and its link to birth defects have attracted a great deal of attention1,2, much remains unknown about ZIKV disease epidemiology and ZIKV evolution, in part owing to a lack of genomic data. Here we address this gap in knowledge by using multiple sequencing approaches to generate 110 ZIKV genomes from clinical and mosquito samples from 10 countries and territories, greatly expanding the observed viral genetic diversity from this outbreak. We analysed the timing and patterns of introductions into distinct geographic regions; our phylogenetic evidence suggests rapid expansion of the outbreak in Brazil and multiple introductions of outbreak strains into Puerto Rico, Honduras, Colombia, other Caribbean islands, and the continental United States. We find that ZIKV circulated undetected in multiple regions for many months before the first locally transmitted cases were confirmed, highlighting the importance of surveillance of viral infections. We identify mutations with possible functional implications for ZIKV biology and pathogenesis, as well as those that might be relevant to the effectiveness of diagnostic tests.

Genome sequencing of Zika virus samples from infected patients and Aedes aegypti mosquitoes in Florida shows that the virus was probably introduced into the United States on multiple occasions, and that the Caribbean is the most likely source. Three papers in this issue present a wealth of new Zika virus (ZIKV) genome sequences and further insights into the genetic epidemiology of ZIKV. Nathan Grubaugh et al. provide 39 new ZIKV genome sequences from infected patients and Aedes aegypti mosquitoes in Florida. Phylogenetic analysis suggests that the virus has been introduced on multiple separate occasions, probably linked to travel from the Caribbean. They find a low probability of long-term persistence of ZIKV transmission chains within Florida, suggesting that the potential for future ZIKV outbreaks there will depend on transmission dynamics in the Americas. Nuno Faria et al. and Hayden Metsky et al. reconstruct the spread of ZIKV in Brazil and the Americas. Faria et al. provide 54 new ZIKV genomes, several sequenced in real time in a mobile genomics laboratory. They trace the spatial origins and spread of ZIKV in Brazil and the Americas and date the timing of the international spread of ZIKV from Brazil. They find that northeast Brazil had a crucial role in the establishment of the epidemic and the spread of the virus within Brazil and the Americas. Metsky et al. generate 110 ZIKV genomes from clinical and mosquito samples from ten regions. They also see rapid expansion of the epidemic within Brazil and multiple introductions to other geographic areas. In agreement with Faria et al., they find that ZIKV circulated unobserved for many months before transmission was detected. Metsky et al. additionally describe ZIKV evolution and discuss how the accumulation of mutations might affect the performance of diagnostic tests in the future. Zika virus (ZIKV) is causing an unprecedented epidemic linked to severe congenital abnormalities1,2. In July 2016, mosquito-borne ZIKV transmission was reported in the continental United States; since then, hundreds of locally acquired infections have been reported in Florida3,4. To gain insights into the timing, source, and likely route(s) of ZIKV introduction, we tracked the virus from its first detection in Florida by sequencing ZIKV genomes from infected patients and Aedes aegypti mosquitoes. We show that at least 4 introductions, but potentially as many as 40, contributed to the outbreak in Florida and that local transmission is likely to have started in the spring of 2016—several months before its initial detection. By analysing surveillance and genetic data, we show that ZIKV moved among transmission zones in Miami. Our analyses show that most introductions were linked to the Caribbean, a finding corroborated by the high incidence rates and traffic volumes from the region into the Miami area. Our study provides an understanding of how ZIKV initiates transmission in new regions.

For decades, human infections with Zika virus (ZIKV), a mosquito‐transmitted flavivirus, were sporadic, associated with mild disease, and went underreported since symptoms were similar to other acute febrile diseases. Recent reports of severe disease associated with ZIKV have greatly heightened awareness. It is anticipated that ZIKV will continue to spread in the Americas and globally where competent Aedes mosquito vectors are found. Dengue virus (DENV), the most common mosquito‐transmitted human flavivirus, is both well‐established and the source of outbreaks in areas of recent ZIKV introduction. DENV and ZIKV are closely related, resulting in substantial antigenic overlap. Through antibody‐dependent enhancement (ADE), anti‐DENV antibodies can enhance the infectivity of DENV for certain classes of immune cells, causing increased viral production that correlates with severe disease outcomes. Similarly, ZIKV has been shown to undergo ADE in response to antibodies generated by other flaviviruses. We tested the neutralizing and enhancing potential of well‐characterized broadly neutralizing human anti‐DENV monoclonal antibodies (HMAbs) and human DENV immune sera against ZIKV using neutralization and ADE assays. We show that anti‐DENV HMAbs, cross‐react, do not neutralize, and greatly enhance ZIKV infection in vitro . DENV immune sera had varying degrees of neutralization against ZIKV and similarly enhanced ZIKV infection. Our results suggest that pre‐existing DENV immunity may enhance ZIKV infection in vivo and may lead to increased disease severity. Understanding the interplay between ZIKV and DENV will be critical in informing public health responses and will be particularly valuable for ZIKV and DENV vaccine design and implementation strategies.

Background For decades, human infections with Zika virus (ZIKV), a mosquito-transmitted flavivirus, were sporadic, associated with mild disease, and went underreported since symptoms were similar to other acute febrile diseases endemic in the same regions. Recent reports of severe disease associated with ZIKV, including Guillain-Barre syndrome and severe fetal abnormalities, have greatly heightened awareness. Given its recent history of rapid spread in immune naive populations, it is anticipated that ZIKV will continue to spread in the Americas and globally in regions where competent Aedes mosquito vectors are found. Globally, dengue virus (DENV) is the most common mosquito-transmitted human flavivirus and is both well-established and the source of outbreaks in areas of recent ZIKV introduction. DENV and ZIKV are closely related, resulting in substantial antigenic overlap. Through a mechanism known as antibody-dependent enhancement (ADE), anti-DENV antibodies can enhance the infectivity of DENV for certain classes of immune cells, causing increased viral production that correlates with severe disease outcomes. Similarly, ZIKV has been shown to undergo ADE in response to antibodies generated by other flaviviruses. However, response to DENV antibodies has not yet been investigated. Methodology / Principal Findings We tested the neutralizing and enhancing potential of well-characterized broadly neutralizing human anti-DENV monoclonal antibodies (HMAbs) and human DENV immune sera against ZIKV using neutralization and ADE assays. We show that anti-DENV HMAbs, cross-react, do not neutralize, and greatly enhance ZIKV infection in vitro. DENV immune sera had varying degrees of neutralization against ZIKV and similarly enhanced ZIKV infection. Conclusions / Significance Our results suggest that pre-existing DENV immunity will enhance ZIKV infection in vivo and may increase disease severity. A clear understanding of the interplay between ZIKV and DENV will be critical in informing public health responses in regions where these viruses co-circulate and will be particularly valuable for ZIKV and DENV vaccine design and implementation strategies.

How viruses evolves within hosts can dictate infection outcomes; however, accurately reconstructing this process is challenging from samples with low virus concentrations. We evaluated our highly multiplexed amplicon approach - PrimalSeq - to enrich for viral RNA and demonstrate how virus concentration, sequencing coverage depth, primer mismatches, and technical replicates influence the accuracy of measuring intrahost virus diversity. Using this data, we developed an open source experimental protocol and computational tool (iVar; github.com/andersen-lab/ivar) for using PrimalSeq to measure intrahost virus diversity using Illumina and compared the results to Oxford Nanopore sequencing. Furthermore, we demonstrate the utility of our approach by measuring Zika and West Nile virus diversity from varied sample types, and show that the accumulation of genetic diversity is heavily influenced by experimental and biological systems.

Zika virus (ZIKV) is causing an unprecedented epidemic linked to severe congenital syndromes1,2. In July 2016, mosquito-borne ZIKV transmission was first reported in the continental United States and since then, hundreds of locally-acquired infections have been reported in Florida3. To gain insights into the timing, source, and likely route(s) of introduction of ZIKV into the continental United States, we tracked the virus from its first detection in Miami, Florida by direct sequencing of ZIKV genomes from infected patients and Aedes aegypti mosquitoes. We show that at least four distinct ZIKV introductions contributed to the outbreak in Florida and that local transmission likely started in the spring of 2016 - several months before its initial detection. By analyzing surveillance and genetic data, we discovered that ZIKV moved among transmission zones in Miami. Our analyses show that most introductions are phylogenetically linked to the Caribbean, a finding corroborated by the high incidence rates and traffic volumes from the region into the Miami area. By comparing mosquito abundance and travel flows, we describe the areas of southern Florida that are especially vulnerable to ZIKV introductions. Our study provides a deeper understanding of how ZIKV initiates and sustains transmission in new regions.

The ongoing Zika epidemic in the Americas has challenged public health surveillance, response, and control systems. Even as the epidemic appears to be near its end in the Americas, it is unclear whether substantial Zika virus transmission may still be ongoing. This issue is exacerbated by large discrepancies in local case reporting and significant delays in detecting outbreaks due to surveillance gaps. To uncover locations with lingering outbreaks in the Americas, we investigated travel-associated Zika cases diagnosed in the United States and Europe to identify signatures of transmission dynamics that were not captured by local reporting. We found that a large and unreported Zika outbreak occurred in Cuba during 2017, a year after peak transmission in neighboring countries, with cases still appearing in 2018. By sequencing Zika virus from infected travelers, we show that the 2017 outbreak in Cuba was sparked by long-lived lineages of Zika virus introduced from multiple places in the Americas a year prior. Our data suggest that while aggressive mosquito control in Cuba may initially have been effective at mitigating Zika virus transmission, in the absence of vaccines, herd immunity, or strong international coordination, such control measures may need to be maintained to be effective. Our study highlights how Zika virus may still be silently spreading in the Americas and provides a framework for more accurately understanding outbreak dynamics.

Metagenomic sequencing has the potential to transform microbial detection and characterization, but new tools are needed to improve its sensitivity. We developed CATCH (Compact Aggregation of Targets for Comprehensive Hybridization), a computational method to enhance nucleic acid capture for enrichment of diverse microbial taxa, and implemented it in a publicly available software package. CATCH designs compact probe sets that achieve full coverage of known microbial sequence diversity and that scale well with this diversity. Using CATCH, we designed and synthesized multiple probe sets, including one to capture whole genomes of the 356 viral species known to infect humans, and conducted a rigorous evaluation of their performance. Capture with these probe sets enriched unique viral content on average 18-fold in sequencing libraries from patient and environmental samples and allowed us to assemble viral genomes that we could not otherwise recover. We show that capture accurately reflects co-infections and within-host nucleotide variation, enriches sequence with substantial divergence from the probe sets, and improves detection of viral infections in samples with unknown microbial content. Our work provides a new approach to probe design and evaluation, and demonstrates a path toward more sensitive, cost-effective metagenomic sequencing.