Abstract The etiologic agent of an outbreak of pneumonia in Wuhan, China, was identified as severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 in January 2020. A patient in the United States was given a diagnosis of infection with this virus by the state of Washington and the US Centers for Disease Control and Prevention on January 20, 2020. We isolated virus from nasopharyngeal and oropharyngeal specimens from this patient and characterized the viral sequence, replication properties, and cell culture tropism. We found that the virus replicates to high titer in Vero-CCL81 cells and Vero E6 cells in the absence of trypsin. We also deposited the virus into 2 virus repositories, making it broadly available to the public health and research communities. We hope that open access to this reagent will expedite development of medical countermeasures.

The B.1.1.7 variant (also known as Alpha) of SARS-CoV-2, the cause of the COVID-19 pandemic, emerged in the UK in the summer of 2020. The prevalence of this variant increased rapidly owing to an increase in infection and/or transmission efficiency1. The Alpha variant contains 19 nonsynonymous mutations across its viral genome, including 8 substitutions or deletions in the spike protein that interacts with cellular receptors to mediate infection and tropism. Here, using a reverse genetics approach, we show that of the 8 individual spike protein substitutions, only N501Y resulted in consistent fitness gains for replication in the upper airway in a hamster model as well as in primary human airway epithelial cells. The N501Y substitution recapitulated the enhanced viral transmission phenotype of the eight mutations in the Alpha spike protein, suggesting that it is a major determinant of the increased transmission of the Alpha variant. Mechanistically, the N501Y substitution increased the affinity of the viral spike protein for cellular receptors. As suggested by its convergent evolution in Brazil, South Africa and elsewhere2,3, our results indicate that N501Y substitution is an adaptive spike mutation of major concern. Experiments in a hamster model of COVID-19 and human airway epithelial cells show that the spike N501Y mutation is the major determinant of increased fitness of the B.1.1.7 Alpha variant of SARS-CoV-2.

We report that severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) Delta spike mutation P681R plays a key role in the Alpha-to-Delta variant replacement during the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic. Delta SARS-CoV-2 efficiently outcompetes the Alpha variant in human lung epithelial cells and primary human airway tissues. The Delta spike mutation P681R is located at a furin cleavage site that separates the spike 1 (S1) and S2 subunits. Reverting the P681R mutation to wild-type P681 significantly reduces the replication of the Delta variant to a level lower than the Alpha variant. Mechanistically, the Delta P681R mutation enhances the cleavage of the full-length spike to S1 and S2, which could improve cell-surface-mediated virus entry. In contrast, the Alpha spike also has a mutation at the same amino acid (P681H), but the cleavage of the Alpha spike is reduced compared with the Delta spike. Our results suggest P681R as a key mutation in enhancing Delta-variant replication via increased S1/S2 cleavage.

Viruses of the family Flaviviridae are important pathogens of humans and other animals and are currently classified into four genera. To better understand their diversity, evolutionary history, and genomic flexibility, we used transcriptome sequencing (RNA-seq) to search for the viruses related to the Flaviviridae in a range of potential invertebrate and vertebrate hosts. Accordingly, we recovered the full genomes of five segmented jingmenviruses and 12 distant relatives of the known Flaviviridae ("flavi-like" viruses) from a range of arthropod species. Although these viruses are highly divergent, they share a similar genomic plan and common ancestry with the Flaviviridae in the NS3 and NS5 regions. Remarkably, although these viruses fill in major gaps in the phylogenetic diversity of the Flaviviridae, genomic comparisons reveal important changes in genome structure, genome size, and replication/gene regulation strategy during evolutionary history. In addition, the wide diversity of flavi-like viruses found in invertebrates, as well as their deep phylogenetic positions, suggests that they may represent the ancestral forms from which the vertebrate-infecting viruses evolved. For the vertebrate viruses, we expanded the previously mammal-only pegivirus-hepacivirus group to include a virus from the graceful catshark (Proscyllium habereri), which in turn implies that these viruses possess a larger host range than is currently known. In sum, our data show that the Flaviviridae infect a far wider range of hosts and exhibit greater diversity in genome structure than previously anticipated.The family Flaviviridae of RNA viruses contains several notorious human pathogens, including dengue virus, West Nile virus, and hepatitis C virus. To date, however, our understanding of the biodiversity and evolution of the Flaviviridae has largely been directed toward vertebrate hosts and their blood-feeding arthropod vectors. Therefore, we investigated an expanded group of potential arthropod and vertebrate host species that have generally been ignored by surveillance programs. Remarkably, these species contained diverse flaviviruses and related viruses that are characterized by major changes in genome size and genome structure, such that these traits are more flexible than previously thought. More generally, these data suggest that arthropods may be the ultimate reservoir of the Flaviviridae and related viruses, harboring considerable genetic and phenotypic diversity. In sum, this study revises the traditional view on the evolutionary history, host range, and genomic structures of a major group of RNA viruses.

High-throughput genomics of SARS-CoV-2 is essential to characterize virus evolution and to identify adaptations that affect pathogenicity or transmission. While single-nucleotide variations (SNVs) are commonly considered as driving virus adaption, RNA recombination events that delete or insert nucleic acid sequences are also critical. Whole genome targeting sequencing of SARS-CoV-2 is typically achieved using pairs of primers to generate cDNA amplicons suitable for Next-Generation Sequencing (NGS). However, paired-primer approaches impose constraints on where primers can be designed, how many amplicons are synthesized and requires multiple PCR reactions with non-overlapping primer pools. This imparts sensitivity to underlying SNVs and fails to resolve RNA recombination junctions that are not flanked by primer pairs. To address these limitations, we have designed an approach called 'Tiled-ClickSeq', which uses hundreds of tiled-primers spaced evenly along the virus genome in a single reverse-transcription reaction. The other end of the cDNA amplicon is generated by azido-nucleotides that stochastically terminate cDNA synthesis, removing the need for a paired-primer. A sequencing adaptor containing a Unique Molecular Identifier (UMI) is appended to the cDNA fragment using click-chemistry and a PCR reaction generates a final NGS library. Tiled-ClickSeq provides complete genome coverage, including the 5'UTR, at high depth and specificity to the virus on both Illumina and Nanopore NGS platforms. Here, we analyze multiple SARS-CoV-2 isolates and clinical samples to simultaneously characterize minority variants, sub-genomic mRNAs (sgmRNAs), structural variants (SVs) and D-RNAs. Tiled-ClickSeq therefore provides a convenient and robust platform for SARS-CoV-2 genomics that captures the full range of RNA species in a single, simple assay.

Summary One inevitable consequence of aging is the gradual deterioration of physical function and exercise capacity, driven in part by the adverse effect of age on muscle tissue. Our primary purpose was to determine the relationship between patterns of gene expression in skeletal muscle and this loss of physical function. We hypothesized that some genes changing expression with age would correlate with functional decline, or conversely with preservation of function. Male C57BL/6 mice (6-months old, 6m, 24-months, 24m, and 28+-months, 28m; all n=8) were tested for physical ability using a c omprehensive f unctional a ssessment b attery (CFAB). CFAB is a composite scoring system comprised of five functional tests: rotarod (overall motor function), grip strength (fore-limb strength), inverted cling (4-limb strength/endurance), voluntary wheel running (activity rate/volitional exercise), and treadmill (endurance). We then extracted total RNA from the tibialis anterior muscle, analyzed with Next Generation Sequencing RNAseq to determine differential gene expression during aging, and compared these changes to physical function. Aging resulted in gene expression differences >│1.0│ log2 fold change (multiple comparison adjusted p<0.05) in 219 genes in the 24m and in 6587 genes in the 28m. Linear regression with CFAB determined 253 differentially expressed genes strongly associated (R>0.70) with functional status in the 28m, and 22 genes in the 24m. We conclude that specific age-related transcriptomic changes are associated with declines in physical function, providing mechanistic clues. Future work will establish the underlying cellular mechanisms and the physiological relevance of these genes to age-related loss of physical function. Graphical Abstract RNA sequencing of skeletal muscle from young and old mice were compared to physical function status obtained by performing a comprehensive functional assessment battery of tests. Between adulthood (6-months) and older age (28-months), 6707 genes were differentially expressed with 253 of these genes being significantly associated with physical function. Specific age-related changes to the skeletal muscle transcriptome are associated with a decline in physical function.

Abstract DExD-box RNA proteins DDX39A and DDX39B are highly homologous paralogs that are conserved in vertebrates. They are required for energy-driven reactions involved in RNA processing. Although we have some understanding of how their functions overlap in RNA nuclear export, our knowledge of whether or not these proteins have specific or redundant functions in RNA splicing is limited. Our previous work has shown that DDX39B is responsible for regulating the splicing of important immune transcripts IL7R and FOXP3. In this study, we aimed to investigate whether DDX39A, a highly homologous paralog of DDX39B, plays a similar role in regulating alternative RNA splicing. We find that DDX39A and DDX39B have significant redundancy in their gene targets, but there are targets that uniquely require one or the other paralog. For instance, DDX39A is incapable of complementing defective splicing of IL7R exon 6 when DDX39B is depleted. This exon and other cassette exons that specifically depend on DDX39B have U-poor/C-rich polypyrimidine tracts in the upstream intron and this variant polypyrimidine tract is required for DDX39B dependency. This study provides evidence that despite a high degree of functional redundancy, DDX39A and DDX39B are selectively required for the splicing of specific pre-mRNAs.

ABSTRACT Alternative splicing is critical for development; however, its role in the specification of the three embryonic germ layers is poorly understood. By performing RNA-Seq on human embryonic stem cells (hESCs) and derived definitive endoderm, cardiac mesoderm, and ectoderm cell lineages, we detect distinct alternative splicing programs associated with each lineage. The most prominent splicing program differences are observed between definitive endoderm and cardiac mesoderm. Integrative multi-omics analyses link each program with lineage-enriched RNA binding protein regulators, and further suggest a widespread role for Quaking (QKI) in the specification of cardiac mesoderm. Remarkably, knockout of QKI disrupts the cardiac mesoderm-associated alternative splicing program and formation of myocytes. These changes arise in part through reduced expression of BIN1 splice variants linked to cardiac development. Mechanistically, we find that QKI represses inclusion of exon 7 in BIN1 pre-mRNA via an exonic ACUAA motif, and this is concomitant with intron removal and cleavage from chromatin. Collectively, our results uncover alternative splicing programs associated with the three germ lineages and demonstrate an important role for QKI in the formation of cardiac mesoderm.

Summary Genes associated with increased susceptibility to multiple sclerosis (MS) have been identified, but their functions are incompletely understood. One of these genes codes for the RNA helicase DExD/H-Box Polypeptide 39B (DDX39B), which shows genetic and functional epistasis with interleukin-7 receptor-α gene ( IL7R ) in MS-risk. Based on evolutionary and functional arguments we postulated that DDX39B enhances immune tolerance decreasing MS risk. Consistent with such a role we show that DDX39B controls the expression of many MS susceptibility genes and important immune-related genes. Among these we identified ForkheadBox P3 ( FOXP3 ), which codes for the master transcriptional factor in CD4 + /CD25 + T regulatory cells. DDX39B knockdown led to loss of immune-regulatory and gain of immune-effector expression signatures. Splicing of FOXP3 introns, which belong to a previously unrecognized subclass of introns with C-rich polypyrimidine tracts, was exquisitely sensitive to DDX39B levels. Given the importance of FOXP3 in autoimmunity, this work cements DDX39B as an important guardian of immune tolerance.

Abstract In the face of climate change, mosquitoes will experience evolving climates including longer periods of drought. An important physiological response to dry environments is the protection against water loss or dehydration, here defined as desiccation tolerance. Various environmental factors including temperature are known to alter interactions between the mosquito, Aedes aegypti , and the arboviruses it transmits, but little is known about how low humidity impacts arboviral infection. Here, we report that a gene upregulated in response to desiccation is important for controlling midgut infection. We have identified two genetically diverse lines of Ae. aegypti with marked differences in desiccation tolerance. To understand if the genetic basis underlying desiccation tolerance is the same between the contrasting lines, we compared gene expression profiles between desiccant treated and non-desiccant treated individuals in both the desiccation tolerant and susceptible lines by RNAseq. Gene expression analysis demonstrates that different genes are differentially expressed in response to desiccation stress between desiccation tolerant and susceptible lines. The most highly expressed transcript under desiccation stress in the desiccation susceptible line encodes a peritrophin protein, Ae Per50. Peritrophins play a crucial role in peritrophic matrix formation after a bloodmeal. Gene silencing of Ae Per50 by RNAi demonstrates that expression of Ae Per50 is required for survival of the desiccation susceptible line under desiccation stress, but not for the desiccation tolerant line. Moreover, the knockdown of Ae Per50 results in higher infection rates and viral replication rates of ZIKV and higher infection rates of CHIKV. Finally, following a bloodmeal, the desiccation susceptible line develops a thicker peritrophic matrix than the desiccation tolerant line. Together these results provide a functional link between the protection against desiccation and midgut infection which has important implications in predicting how climate change will impact mosquito-borne viruses.