The outbreaks of 2019 novel coronavirus disease (COVID-19) caused by SARS-CoV-2 infection have posed a severe threat to global public health. It is unclear how the human immune system responds to this infection. Here, we used metatranscriptomic sequencing to profile immune signatures in the bronchoalveolar lavage fluid of eight COVID-19 cases. The expression of proinflammatory genes, especially chemokines, was markedly elevated in COVID-19 cases compared to community-acquired pneumonia patients and healthy controls, suggesting that SARS-CoV-2 infection causes hypercytokinemia. Compared to SARS-CoV, which is thought to induce inadequate interferon (IFN) responses, SARS-CoV-2 robustly triggered expression of numerous IFN-stimulated genes (ISGs). These ISGs exhibit immunopathogenic potential, with overrepresentation of genes involved in inflammation. The transcriptome data was also used to estimate immune cell populations, revealing increases in activated dendritic cells and neutrophils. Collectively, these host responses to SARS-CoV-2 infection could further our understanding of disease pathogenesis and point toward antiviral strategies.

Paul de Bakker, Cisca Wijmenga and colleagues report on The Genome of the Netherlands Project, including whole-genome sequencing of 769 individuals of Dutch ancestry from 250 parent-offspring families and construction of a phased haplotype map. Their intermediate-coverage population sequencing data set provides a complementary resource to other publicly available data sets, including the 1000 Genomes Project. Whole-genome sequencing enables complete characterization of genetic variation, but geographic clustering of rare alleles demands many diverse populations be studied. Here we describe the Genome of the Netherlands (GoNL) Project, in which we sequenced the whole genomes of 250 Dutch parent-offspring families and constructed a haplotype map of 20.4 million single-nucleotide variants and 1.2 million insertions and deletions. The intermediate coverage (∼13×) and trio design enabled extensive characterization of structural variation, including midsize events (30–500 bp) previously poorly catalogued and de novo mutations. We demonstrate that the quality of the haplotypes boosts imputation accuracy in independent samples, especially for lower frequency alleles. Population genetic analyses demonstrate fine-scale structure across the country and support multiple ancient migrations, consistent with historical changes in sea level and flooding. The GoNL Project illustrates how single-population whole-genome sequencing can provide detailed characterization of genetic variation and may guide the design of future population studies.

Nature Communications 2, Article number: 228 (2011); Published: 8 March 2011; Updated: 7 February 2012 In Supplementary Table S2 of this Article, some of the sampling locations are incorrect, as follows: Sample IDs Bes10, Bes22, Bes23, Bes24, Bes4, Bes5, Bes6, Bes8 and Bes9 should be Pelaragan. Sample ID Bes11 should be Merpayang.

Abstract Bats are a major “viral reservoir” in nature and there is a great interest in not only the cell biology of their innate and adaptive immune systems, but also in the expression patterns of receptors used for cellular entry by viruses with potential cross-species transmission. To address this and other questions, we created a single-cell transcriptomic atlas of the Chinese horseshoe bat ( Rhinolophus sinicus ) which comprises 82,924 cells from 19 organs and tissues. This atlas provides a molecular characterization of numerous cell types from a variety of anatomical sites, and we used it to identify clusters of transcription features that define cell types across all of the surveyed organs. Analysis of viral entry receptor genes for known zoonotic viruses showed cell distribution patterns similar to that of humans, with higher expression levels in bat intestine epithelial cells. In terms of the immune system, CD8+ T cells are in high proportion with tissue-resident memory T cells, and long-lived effector memory nature killer (NK) T-like cells ( KLRG1 , GZMA and ITGA4 genes) are broadly distributed across the organs. Isolated lung primary bat pulmonary fibroblast (BPF) cells were used to evaluate innate immunity, and they showed a weak response to interferon β and tumor necrosis factor-α compared to their human counterparts, consistent with our transcriptional analysis. This compendium of transcriptome data provides a molecular foundation for understanding the cell identities, functions and cellular receptor characteristics for viral reservoirs and zoonotic transmission.

Abstract A new variant of concern for SARS-CoV-2, Omicron (B.1.1.529), was designated by the World Health Organization on November 26, 2021. This study analyzed the viral genome sequencing data of 108 samples collected from patients infected with Omicron. First, we found that the enrichment efficiency of viral nucleic acids was reduced due to mutations in the region where the primers anneal to. Second, the Omicron variant possesses an excessive number of mutations compared to other variants circulating at the same time (62 vs . 45), especially in the Spike gene. Mutations in the Spike gene confer alterations in 32 amino acid residues, which was more than those observed in other SARS-CoV-2 variants. Moreover, a large number of nonsynonymous mutations occur in the codons for the amino acid residues located on the surface of the Spike protein, which could potentially affect the replication, infectivity, and antigenicity of SARS-CoV-2. Third, there are 53 mutations between the Omicron variant and its closest sequences available in public databases. Many of those mutations were rarely observed in the public database and had a low mutation rate. In addition, the linkage disequilibrium between these mutations were low, with a limited number of mutations (6) concurrently observed in the same genome, suggesting that the Omicron variant would be in a different evolutionary branch from the currently prevalent variants. To improve our ability to detect and track the source of new variants rapidly, it is imperative to further strengthen genomic surveillance and data sharing globally in a timely manner.

To investigate in detail the paternal and maternal demographic histories of humans, we obtained ~500 kb of non-recombining Y chromosome (NRY) sequences and complete mtDNA genome sequences from 623 males from 51 populations in the CEPH Human Genome Diversity Panel (HGDP). Our results: confirm the controversial assertion that genetic differences between human populations on a global scale are bigger for the NRY than for mtDNA; suggest very small ancestral effective population sizes (<100) for the out-of-Africa migration as well as for many human populations; and indicate that the ratio of female effective population size to male effective population size (Nf/Nm) has been greater than one throughout the history of modern humans, and has recently increased due to faster growth in Nf. However, we also find substantial differences in patterns of mtDNA vs. NRY variation in different regional groups; thus, global patterns of variation are not necessarily representative of specific geographic regions.

Abstract Background In response to the current COVID-19 pandemic, it is crucial to understand the origin, transmission, and evolution of SARS-CoV-2, which relies on close surveillance of genomic diversity in clinical samples. Although the mutation at the population level had been extensively investigated, how the mutations evolve at the individual level is largely unknown, partly due to the difficulty of obtaining unbiased genome coverage of SARS-CoV-2 directly from clinical samples. Methods Eighteen time series fecal samples were collected from nine COVID-19 patients during the convalescent phase. The nucleic acids of SARS-CoV-2 were enriched by the hybrid capture method with different rounds of hybridization. Results By examining the sequencing depth, genome coverage, and allele frequency change, we demonstrated the impeccable performance of the hybrid capture method in samples with Ct value < 34, as well as significant improvement comparing to direct metatranscriptomic sequencing in samples with lower viral loads. We identified 229 intra-host variants at 182 sites in 18 fecal samples. Among them, nineteen variants presented frequency changes > 0.3 within 1-5 days, reflecting highly dynamic intra-host viral populations. Meanwhile, we also found that the same mutation showed different frequency changes in different individuals, indicating a strong random drift. Moreover, the evolving of the viral genome demonstrated that the virus was still viable in the gastrointestinal tract during the convalescent period. Conclusions The hybrid capture method enables reliable analyses of inter- and intra-host variants of SARS-CoV-2 genome, which changed dramatically in the gastrointestinal tract; its clinical relevance warrants further investigation.

The mitochondrial (mt) genome is present in many copies in human cells, and intra-individual variation in mtDNA sequences is known as heteroplasmy. Recent studies found that heteroplasmies are highly tissue-specific, site-specific, and allele-specific, however the functional implications have not been explored. This study investigates variation in mtDNA copy numbers (mtCN) in 12 different tissues obtained at autopsy from 152 individuals (ranging in age from 3 days to 96 years). Three different methods to estimate mtCN were compared: shotgun sequencing (in 4 tissues), capture-enriched sequencing (in 12 tissues) and droplet digital PCR (ddPCR, in 2 tissues). The highest precision in mtCN estimation was achieved using shotgun sequencing data. However, capture-enrichment data provide reliable estimates of relative (albeit not absolute) mtCNs. Comparisons of mtCN from different tissues of the same individual revealed that mtCNs in different tissues are, with few exceptions, uncorrelated. Hence, each tissue of an individual seems to regulate mtCN in a tissue-related rather than an individual-dependent manner. Skeletal muscle (SM) samples showed an age-related decrease in mtCN that was especially pronounced in males, while there was an age-related increase in mtCN for liver (LIV) samples. MtCN in SM samples was significantly negatively correlated with both the total number of heteroplasmic sites and with minor allele frequency (MAF) at two heteroplasmic sites, 408 and 16327. Heteroplasmies at both sites are highly specific for SM, accumulate with aging and are part of functional elements that regulate mtDNA replication. These data support the hypothesis that selection acting on these heteroplasmic sites is reducing mtCN in SM of older individuals. This article has been accepted for publication by PLOS Genetics: http://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1005939

Abstract The evolution of SARS-CoV-2 is characterized by the emergence of new variants with a sheer number of mutations compared to their predecessors, which conferred resistance to pre-existing antibodies and/or increased transmissibility. The recently emerged Omicron subvariants also exhibit a strong tendency for immune evasion, suggesting adaptive evolution. However, previous studies have been limited to specific lineages or subsets of mutations, the overall evolutionary trajectory of SARS-CoV-2 and the underlying driving forces are still not fully understood. In this study, we analyzed the mutations present in all open-access SARS-CoV-2 genomes (until November 2022) and correlated the mutation’s incidence and fitness change with its impact on immune evasion and ACE2 binding affinity. Our results showed that the Omicron lineage had an accelerated mutation rate in the RBD region, while the mutation incidence in other genomic regions did not change dramatically over time. Moreover, mutations in the RBD region (but not in any other genomic regions) exhibited a lineage-specific pattern and tended to become more aggregated over time, and the mutation incidence was positively correlated with the strength of antibody pressure on the specific position. Additionally, the incidence of mutation was also positively correlated with changes in ACE2 binding affinity, but with a lower correlation coefficient than with immune evasion. In contrast, the mutation’s effect on fitness was more closely correlated with changes in ACE2 binding affinity than immune evasion. In conclusion, our results suggest that immune evasion and ACE2 binding affinity play significant and diverse roles in the evolution of SARS-CoV-2.

Abstract Background Community-acquired pneumonia (CAP) is a common and serious condition that can be caused by a variety of pathogens. However, much remains unknown about how these pathogens interact with the lower respiratory commensals, and whether any correlation exists between the dysbiosis of the lower respiratory microbiota and disease severity and prognosis. Methods We conducted a retrospective cohort study to investigate the composition and dynamics of sputum microbiota in patients diagnosed with CAP. In total, 917 sputum specimens were collected consecutively from 350 CAP inpatients enrolled in six hospitals following admission. The V3-V4 region of the 16 S rRNA gene was then sequenced. Results The sputum microbiota in 71% of the samples were predominately composed of respiratory commensals. Conversely, 15% of the samples demonstrated dominance by five opportunistic pathogens. Additionally, 5% of the samples exhibited sterility, resembling the composition of negative controls. Compared to non-severe CAP patients, severe cases exhibited a more disrupted sputum microbiota, characterized by the highly dominant presence of potential pathogens, greater deviation from a healthy state, more significant alterations during hospitalization, and sparser bacterial interactions. The sputum microbiota on admission demonstrated a moderate prediction of disease severity (AUC = 0.74). Furthermore, different pathogenic infections were associated with specific microbiota alterations. Acinetobacter and Pseudomonas were more abundant in influenza A infections, with Acinetobacter was also enriched in Klebsiella pneumoniae infections. Conclusion Collectively, our study demonstrated that pneumonia may not consistently correlate with severe dysbiosis of the respiratory microbiota. Instead, the degree of microbiota dysbiosis was correlated with disease severity in CAP patients.