Recent studies have provided insights into the pathogenesis of coronavirus disease 2019 (COVID-19)1–4. However, the longitudinal immunological correlates of disease outcome remain unclear. Here we serially analysed immune responses in 113 patients with moderate or severe COVID-19. Immune profiling revealed an overall increase in innate cell lineages, with a concomitant reduction in T cell number. An early elevation in cytokine levels was associated with worse disease outcomes. Following an early increase in cytokines, patients with moderate COVID-19 displayed a progressive reduction in type 1 (antiviral) and type 3 (antifungal) responses. By contrast, patients with severe COVID-19 maintained these elevated responses throughout the course of the disease. Moreover, severe COVID-19 was accompanied by an increase in multiple type 2 (anti-helminths) effectors, including interleukin-5 (IL-5), IL-13, immunoglobulin E and eosinophils. Unsupervised clustering analysis identified four immune signatures, representing growth factors (A), type-2/3 cytokines (B), mixed type-1/2/3 cytokines (C), and chemokines (D) that correlated with three distinct disease trajectories. The immune profiles of patients who recovered from moderate COVID-19 were enriched in tissue reparative growth factor signature A, whereas the profiles of those with who developed severe disease had elevated levels of all four signatures. Thus, we have identified a maladapted immune response profile associated with severe COVID-19 and poor clinical outcome, as well as early immune signatures that correlate with divergent disease trajectories. A longitudinal analysis of immune responses in patients with moderate or severe COVID-19 identifies a maladapted immune response profile linked to severe disease.

Viral infection of mammalian host results in the activation of innate immune responses. Toll-like receptors (TLRs) have been shown to mediate the recognition of many types of pathogens, including viruses. The genomes of viruses possess unique characteristics that are not found in mammalian genomes, such as high CpG content and double-stranded RNA. These genomic nucleic acids serve as molecular signatures associated with viral infections. Here we show that TLR7 recognizes the single-stranded RNA viruses, vesicular stomatitis virus and influenza virus. The recognition of these viruses by plasmacytoid dendritic cells and B cells through TLR7 results in their activation of costimulatory molecules and production of cytokines. Moreover, this recognition required intact endocytic pathways. Mice deficient in either the TLR7 or the TLR adaptor protein MyD88 demonstrated reduced responses to in vivo infection with vesicular stomatitis virus. These results demonstrate microbial ligand recognition by TLR7 and provide insights into the pathways used by the innate immune cells in the recognition of viral pathogens.

Mitochondrial DNA stress potentiates type I interferon responses via activation of the cGAS–STING–IRF3 pathway. Accumulating evidence suggests that mitochondria, the organelles primarily responsible for cellular respiration and energy production, are also critical centres for antibacterial and antiviral innate immune responses. This study describes a link between mitochondrial stress and antiviral innate immunity. Specifically, mitochondrial DNA stress in herpes virus infected mice is shown to elevate interferon-stimulated gene expression, potentiate type I interferon responses and confer broad viral resistance through activation of the DNA sensor cGAS and the STING–IRF3 stress pathway. Mitochondrial DNA (mtDNA) is normally present at thousands of copies per cell and is packaged into several hundred higher-order structures termed nucleoids1. The abundant mtDNA-binding protein TFAM (transcription factor A, mitochondrial) regulates nucleoid architecture, abundance and segregation2. Complete mtDNA depletion profoundly impairs oxidative phosphorylation, triggering calcium-dependent stress signalling and adaptive metabolic responses3. However, the cellular responses to mtDNA instability, a physiologically relevant stress observed in many human diseases and ageing, remain poorly defined4. Here we show that moderate mtDNA stress elicited by TFAM deficiency engages cytosolic antiviral signalling to enhance the expression of a subset of interferon-stimulated genes. Mechanistically, we find that aberrant mtDNA packaging promotes escape of mtDNA into the cytosol, where it engages the DNA sensor cGAS (also known as MB21D1) and promotes STING (also known as TMEM173)–IRF3-dependent signalling to elevate interferon-stimulated gene expression, potentiate type I interferon responses and confer broad viral resistance. Furthermore, we demonstrate that herpesviruses induce mtDNA stress, which enhances antiviral signalling and type I interferon responses during infection. Our results further demonstrate that mitochondria are central participants in innate immunity, identify mtDNA stress as a cell-intrinsic trigger of antiviral signalling and suggest that cellular monitoring of mtDNA homeostasis cooperates with canonical virus sensing mechanisms to fully engage antiviral innate immunity.

Although commensal bacteria are crucial in maintaining immune homeostasis of the intestine, the role of commensal bacteria in immune responses at other mucosal surfaces remains less clear. Here, we show that commensal microbiota composition critically regulates the generation of virus-specific CD4 and CD8 T cells and antibody responses following respiratory influenza virus infection. By using various antibiotic treatments, we found that neomycin-sensitive bacteria are associated with the induction of productive immune responses in the lung. Local or distal injection of Toll-like receptor (TLR) ligands could rescue the immune impairment in the antibiotic-treated mice. Intact microbiota provided signals leading to the expression of mRNA for pro–IL-1β and pro–IL-18 at steady state. Following influenza virus infection, inflammasome activation led to migration of dendritic cells (DCs) from the lung to the draining lymph node and T-cell priming. Our results reveal the importance of commensal microbiota in regulating immunity in the respiratory mucosa through the proper activation of inflammasomes.

Plasmacytoid dendritic cells (pDCs) have been identified as a potent secretor of the type I interferons (IFNs) in response to CpG as well as several viruses. In this study, we examined the molecular mechanism of virus recognition by pDCs. First, we demonstrated that the CD11c+Gr-1intB220+ pDCs from mouse bone marrow secreted high levels of IFN-α in response to either live or UV-inactivated Herpes simplex virus-2 (HSV-2). Next, we identified that IFN-α secretion by pDCs required the expression of the adaptor molecule MyD88, suggesting the involvement of a Toll-like receptor (TLR) in HSV-2 recognition. To test whether a TLR mediates HSV-2–induced IFN-α secretion from pDCs, various knockout mice were examined. These experiments revealed a clear requirement for TLR9 in this process. Further, we demonstrated that purified HSV-2 DNA can trigger IFN-α secretion from pDCs and that inhibitory CpG oligonucleotide treatment diminished HSV-induced IFN-α secretion by pDCs in a dose-dependent manner. The recognition of HSV-2 by TLR9 was mediated through an endocytic pathway that was inhibited by chloroquine or bafilomycin A1. The strict requirement for TLR9 in IFN-α secretion was further confirmed by the inoculation of HSV-2 in vivo. Therefore, these results demonstrate a novel mechanism whereby the genomic DNA of a virus can engage TLR9 and result in the secretion of IFN-α by pDCs.

Although COVID-19 is considered to be primarily a respiratory disease, SARS-CoV-2 affects multiple organ systems including the central nervous system (CNS). Yet, there is no consensus on the consequences of CNS infections. Here, we used three independent approaches to probe the capacity of SARS-CoV-2 to infect the brain. First, using human brain organoids, we observed clear evidence of infection with accompanying metabolic changes in infected and neighboring neurons. However, no evidence for type I interferon responses was detected. We demonstrate that neuronal infection can be prevented by blocking ACE2 with antibodies or by administering cerebrospinal fluid from a COVID-19 patient. Second, using mice overexpressing human ACE2, we demonstrate SARS-CoV-2 neuroinvasion in vivo. Finally, in autopsies from patients who died of COVID-19, we detect SARS-CoV-2 in cortical neurons and note pathological features associated with infection with minimal immune cell infiltrates. These results provide evidence for the neuroinvasive capacity of SARS-CoV-2 and an unexpected consequence of direct infection of neurons by SARS-CoV-2.

Plasmacytoid dendritic cells (pDCs) detect viruses in the acidified endosomes by means of Toll-like receptors (TLRs). Yet, pDC responses to certain single-stranded RNA (ssRNA) viruses occur only after live viral infection. We present evidence here that the recognition of such viruses by TLR7 requires transport of cytosolic viral replication intermediates into the lysosome by the process of autophagy. In addition, autophagy was found to be required for the production of interferon-alpha by pDCs. These results support a key role for autophagy in mediating ssRNA virus detection and interferon-alpha secretion by pDCs and suggest that cytosolic replication intermediates of viruses serve as pathogen signatures recognized by TLR7.

The recent spread of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) exemplifies the critical need for accurate and rapid diagnostic assays to prompt clinical and public health interventions. Currently, several quantitative reverse transcription–PCR (RT–qPCR) assays are being used by clinical, research and public health laboratories. However, it is currently unclear whether results from different tests are comparable. Our goal was to make independent evaluations of primer–probe sets used in four common SARS-CoV-2 diagnostic assays. From our comparisons of RT–qPCR analytical efficiency and sensitivity, we show that all primer–probe sets can be used to detect SARS-CoV-2 at 500 viral RNA copies per reaction. The exception for this is the RdRp-SARSr (Charité) confirmatory primer–probe set which has low sensitivity, probably due to a mismatch to circulating SARS-CoV-2 in the reverse primer. We did not find evidence for background amplification with pre-COVID-19 samples or recent SARS-CoV-2 evolution decreasing sensitivity. Our recommendation for SARS-CoV-2 diagnostic testing is to select an assay with high sensitivity and that is regionally used, to ease comparability between outcomes. This is a comparative analysis of the performance of the primer–probe sets from four open-source molecular diagnostic assays for SARS-CoV-2 recommended by the World Health Organization.

COVID-19 manifests with a wide spectrum of clinical phenotypes that are characterized by exaggerated and misdirected host immune responses1–6. Although pathological innate immune activation is well-documented in severe disease1, the effect of autoantibodies on disease progression is less well-defined. Here we use a high-throughput autoantibody discovery technique known as rapid extracellular antigen profiling7 to screen a cohort of 194 individuals infected with SARS-CoV-2, comprising 172 patients with COVID-19 and 22 healthcare workers with mild disease or asymptomatic infection, for autoantibodies against 2,770 extracellular and secreted proteins (members of the exoproteome). We found that patients with COVID-19 exhibit marked increases in autoantibody reactivities as compared to uninfected individuals, and show a high prevalence of autoantibodies against immunomodulatory proteins (including cytokines, chemokines, complement components and cell-surface proteins). We established that these autoantibodies perturb immune function and impair virological control by inhibiting immunoreceptor signalling and by altering peripheral immune cell composition, and found that mouse surrogates of these autoantibodies increase disease severity in a mouse model of SARS-CoV-2 infection. Our analysis of autoantibodies against tissue-associated antigens revealed associations with specific clinical characteristics. Our findings suggest a pathological role for exoproteome-directed autoantibodies in COVID-19, with diverse effects on immune functionality and associations with clinical outcomes. Rapid extracellular antigen profiling of a cohort of 194 individuals infected with SARS-CoV-2 uncovers diverse autoantibody responses that affect COVID-19 disease severity, progression and clinical and immunological characteristics.

The mechanism by which cells undergo death determines whether dying cells trigger inflammatory responses or remain immunologically silent. Mitochondria play a central role in the induction of cell death, as well as in immune signaling pathways. Here, we identify a mechanism by which mitochondria and downstream proapoptotic caspases regulate the activation of antiviral immunity. In the absence of active caspases, mitochondrial outer membrane permeabilization by Bax and Bak results in the expression of type I interferons (IFNs). This induction is mediated by mitochondrial DNA-dependent activation of the cGAS/STING pathway and results in the establishment of a potent state of viral resistance. Our results show that mitochondria have the capacity to simultaneously expose a cell-intrinsic inducer of the IFN response and to inactivate this response in a caspase-dependent manner. This mechanism provides a dual control, which determines whether mitochondria initiate an immunologically silent or a proinflammatory type of cell death.