Crohn's disease, a chronic inflammation of the gut, has been linked to over thirty gene loci. Two papers in this issue focus a recent addition to that list, ATG16L1 (Atg16-like 1). Atg16 protein itself was first identified in yeast as an essential gene for the process of autophagy, a system that clears away unwanted cellular components and is involved in the pathogenesis of microbial infection, neurodegeneration and tumorigenesis. Cadwell et al. report a unique role for Atg16L1 in Paneth cells, a type of epithelial cell that secretes granules containing antimicrobial peptides into the intestines. Saitoh et al. show that ATG16L1 plays a role in the inflammatory response in isolated macrophages and in the mouse intestine, as an essential component of the autophagic machinery. This work implicates Atg16L1 in the control of inflammatory immune response and the maintenance of intestinal barrier, both of which are important for the prevention of inflammatory bowel disease. Susceptibility to Crohn’s disease, a complex inflammatory disease involving the small intestine, is controlled by over 30 loci1. One Crohn’s disease risk allele is in ATG16L1, a gene homologous to the essential yeast autophagy gene ATG16 (ref. 2). It is not known how ATG16L1 or autophagy contributes to intestinal biology or Crohn’s disease pathogenesis. To address these questions, we generated and characterized mice that are hypomorphic for ATG16L1 protein expression, and validated conclusions on the basis of studies in these mice by analysing intestinal tissues that we collected from Crohn’s disease patients carrying the Crohn’s disease risk allele of ATG16L1. Here we show that ATG16L1 is a bona fide autophagy protein. Within the ileal epithelium, both ATG16L1 and a second essential autophagy protein ATG5 are selectively important for the biology of the Paneth cell, a specialized epithelial cell that functions in part by secretion of granule contents containing antimicrobial peptides and other proteins that alter the intestinal environment3. ATG16L1- and ATG5-deficient Paneth cells exhibited notable abnormalities in the granule exocytosis pathway. In addition, transcriptional analysis revealed an unexpected gain of function specific to ATG16L1-deficient Paneth cells including increased expression of genes involved in peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) signalling and lipid metabolism, of acute phase reactants and of two adipocytokines, leptin and adiponectin, known to directly influence intestinal injury responses. Importantly, Crohn’s disease patients homozygous for the ATG16L1 Crohn’s disease risk allele displayed Paneth cell granule abnormalities similar to those observed in autophagy-protein-deficient mice and expressed increased levels of leptin protein. Thus, ATG16L1, and probably the process of autophagy, have a role within the intestinal epithelium of mice and Crohn’s disease patients by selective effects on the cell biology and specialized regulatory properties of Paneth cells.

Analysis of the specificity and kinetics of neutralizing antibodies (nAbs) elicited by SARS-CoV-2 infection is crucial for understanding immune protection and identifying targets for vaccine design. In a cohort of 647 SARS-CoV-2-infected subjects, we found that both the magnitude of Ab responses to SARS-CoV-2 spike (S) and nucleoprotein and nAb titers correlate with clinical scores. The receptor-binding domain (RBD) is immunodominant and the target of 90% of the neutralizing activity present in SARS-CoV-2 immune sera. Whereas overall RBD-specific serum IgG titers waned with a half-life of 49 days, nAb titers and avidity increased over time for some individuals, consistent with affinity maturation. We structurally defined an RBD antigenic map and serologically quantified serum Abs specific for distinct RBD epitopes leading to the identification of two major receptor-binding motif antigenic sites. Our results explain the immunodominance of the receptor-binding motif and will guide the design of COVID-19 vaccines and therapeutics.

Summary

 Decreases in the diversity of enteric bacterial populations are observed in patients with Crohn's disease (CD) and ulcerative colitis (UC). Less is known about the virome in these diseases. We show that the enteric virome is abnormal in CD and UC patients. In-depth analysis of preparations enriched for free virions in the intestine revealed that CD and UC were associated with a significant expansion of Caudovirales bacteriophages. The viromes of CD and UC patients were disease and cohort specific. Importantly, it did not appear that expansion and diversification of the enteric virome was secondary to changes in bacterial populations. These data support a model in which changes in the virome may contribute to intestinal inflammation and bacterial dysbiosis. We conclude that the virome is a candidate for contributing to, or being a biomarker for, human inflammatory bowel disease and speculate that the enteric virome may play a role in other diseases.

The recently emerged SARS-CoV-2 Omicron variant encodes 37 amino acid substitutions in the spike protein, 15 of which are in the receptor-binding domain (RBD), thereby raising concerns about the effectiveness of available vaccines and antibody-based therapeutics. Here we show that the Omicron RBD binds to human ACE2 with enhanced affinity, relative to the Wuhan-Hu-1 RBD, and binds to mouse ACE2. Marked reductions in neutralizing activity were observed against Omicron compared to the ancestral pseudovirus in plasma from convalescent individuals and from individuals who had been vaccinated against SARS-CoV-2, but this loss was less pronounced after a third dose of vaccine. Most monoclonal antibodies that are directed against the receptor-binding motif lost in vitro neutralizing activity against Omicron, with only 3 out of 29 monoclonal antibodies retaining unaltered potency, including the ACE2-mimicking S2K146 antibody

Acute exercise is shown to induce autophagy in skeletal muscle of fed mice, indicating a possible mechanism for the beneficial metabolic effects of exercise. Exercise has beneficial effects on human health, including protection against metabolic disorders such as diabetes. The cellular mechanisms underlying these effects are unclear. One possibility is a stimulatory effect on autophagy, which acts to release nutrients into the cell through the destruction of unwanted proteins, and, in animal models, protects against various diseases. This paper demonstrates that acute exercise induces autophagy in the skeletal and cardiac muscle of fed mice. Mice that are incapable of exercise-induced autophagy have decreased endurance and altered glucose metabolism during acute exercise, as well as impaired chronic exercise-mediated protection against high-fat diet-induced glucose intolerance. Exercise has beneficial effects on human health, including protection against metabolic disorders such as diabetes1. However, the cellular mechanisms underlying these effects are incompletely understood. The lysosomal degradation pathway, autophagy, is an intracellular recycling system that functions during basal conditions in organelle and protein quality control2. During stress, increased levels of autophagy permit cells to adapt to changing nutritional and energy demands through protein catabolism3. Moreover, in animal models, autophagy protects against diseases such as cancer, neurodegenerative disorders, infections, inflammatory diseases, ageing and insulin resistance4,5,6. Here we show that acute exercise induces autophagy in skeletal and cardiac muscle of fed mice. To investigate the role of exercise-mediated autophagy in vivo, we generated mutant mice that show normal levels of basal autophagy but are deficient in stimulus (exercise- or starvation)-induced autophagy. These mice (termed BCL2 AAA mice) contain knock-in mutations in BCL2 phosphorylation sites (Thr69Ala, Ser70Ala and Ser84Ala) that prevent stimulus-induced disruption of the BCL2–beclin-1 complex and autophagy activation. BCL2 AAA mice show decreased endurance and altered glucose metabolism during acute exercise, as well as impaired chronic exercise-mediated protection against high-fat-diet-induced glucose intolerance. Thus, exercise induces autophagy, BCL2 is a crucial regulator of exercise- (and starvation)-induced autophagy in vivo, and autophagy induction may contribute to the beneficial metabolic effects of exercise.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has caused the global COVID-19 pandemic. Rapidly spreading SARS-CoV-2 variants may jeopardize newly introduced antibody and vaccine countermeasures. Here, using monoclonal antibodies (mAbs), animal immune sera, human convalescent sera and human sera from recipients of the BNT162b2 mRNA vaccine, we report the impact on antibody neutralization of a panel of authentic SARS-CoV-2 variants including a B.1.1.7 isolate, chimeric strains with South African or Brazilian spike genes and isogenic recombinant viral variants. Many highly neutralizing mAbs engaging the receptor-binding domain or N-terminal domain and most convalescent sera and mRNA vaccine-induced immune sera showed reduced inhibitory activity against viruses containing an E484K spike mutation. As antibodies binding to spike receptor-binding domain and N-terminal domain demonstrate diminished neutralization potency in vitro against some emerging variants, updated mAb cocktails targeting highly conserved regions, enhancement of mAb potency or adjustments to the spike sequences of vaccines may be needed to prevent loss of protection in vivo. A comprehensive analysis of antibody neutralization activity against a panel of authentic isolates and chimeric SARS-CoV-2 variants shows markedly diminished neutralizing activity against the variant B.1.351, first identified in South Africa.

The SARS-CoV-2 spike (S) glycoprotein contains an immunodominant receptor-binding domain (RBD) targeted by most neutralizing antibodies (Abs) in COVID-19 patient plasma. Little is known about neutralizing Abs binding to epitopes outside the RBD and their contribution to protection. Here, we describe 41 human monoclonal Abs (mAbs) derived from memory B cells, which recognize the SARS-CoV-2 S N-terminal domain (NTD) and show that a subset of them neutralize SARS-CoV-2 ultrapotently. We define an antigenic map of the SARS-CoV-2 NTD and identify a supersite (designated site i) recognized by all known NTD-specific neutralizing mAbs. These mAbs inhibit cell-to-cell fusion, activate effector functions, and protect Syrian hamsters from SARS-CoV-2 challenge, albeit selecting escape mutants in some animals. Indeed, several SARS-CoV-2 variants, including the B.1.1.7, B.1.351, and P.1 lineages, harbor frequent mutations within the NTD supersite, suggesting ongoing selective pressure and the importance of NTD-specific neutralizing mAbs for protective immunity and vaccine design.

Elevated risk of developing Alzheimer's disease (AD) is associated with hypomorphic variants of TREM2, a surface receptor required for microglial responses to neurodegeneration, including proliferation, survival, clustering, and phagocytosis. How TREM2 promotes such diverse responses is unknown. Here, we find that microglia in AD patients carrying TREM2 risk variants and TREM2-deficient mice with AD-like pathology have abundant autophagic vesicles, as do TREM2-deficient macrophages under growth-factor limitation or endoplasmic reticulum (ER) stress. Combined metabolomics and RNA sequencing (RNA-seq) linked this anomalous autophagy to defective mammalian target of rapamycin (mTOR) signaling, which affects ATP levels and biosynthetic pathways. Metabolic derailment and autophagy were offset in vitro through Dectin-1, a receptor that elicits TREM2-like intracellular signals, and cyclocreatine, a creatine analog that can supply ATP. Dietary cyclocreatine tempered autophagy, restored microglial clustering around plaques, and decreased plaque-adjacent neuronal dystrophy in TREM2-deficient mice with amyloid-β pathology. Thus, TREM2 enables microglial responses during AD by sustaining cellular energetic and biosynthetic metabolism.