Although many bacterial pathogens use specialized secretion systems for virulence, no such systems have been described for Mycobacterium tuberculosis , a major pathogen of humans that proliferates in host macrophages. In a screen to identify genes required for virulence of M. tuberculosis , we have discovered three components and two substrates of the first Sec-independent secretion pathway described in M. tuberculosis , which we designate the Snm pathway. Here we demonstrate that the proteins Snm1, -2, and -4 are required for the secretion of ESAT-6 and CFP-10, small proteins previously identified as major T cell antigens. Snm2, a member of the AAA ATPase family, interacts with substrates and with Snm1, another AAA ATPase. We show that M. tuberculosis mutants lacking either the Snm system or these substrates exhibit defects in bacterial growth during the acute phase of a mouse infection and are attenuated for virulence. Strikingly, snm mutants fail to replicate in cultured macrophages and to inhibit macrophage inflammatory responses, two well established activities of wild-type M. tuberculosis bacilli. Thus, the Snm secretion pathway works to subvert normal macrophage responses and is a major determinant of M. tuberculosis virulence.

Abstract The ESX-1 secretion system is a major determinant of Mycobacterium tuberculosis virulence, although the pathogenic mechanisms resulting from ESX-1-mediated transport remain unclear. By global transcriptional profiling of tissues from mice infected with either wild-type or ESX-1 mutant bacilli, we found that host genes controlled by ESX-1 in vivo are predominantly IFN regulated. ESX-1-mediated secretion is required for the production of host type I IFNs during infection in vivo and in macrophages in vitro. The macrophage signaling pathway leading to the production of type I IFN required the host kinase TANK-binding kinase 1 and occurs independently of TLR signaling. Importantly, the induction of type I IFNs during M. tuberculosis infection is a pathogenic mechanism as mice lacking the type I IFNR were more restrictive for bacterial growth in the spleen than wild-type mice, although growth in the lung was unaffected. We propose that the ESX-1 secretion system secretes effectors into the cytosol of infected macrophages, thereby triggering the type I IFN response for the manipulation of host immunity.

Despite the urgent need for new antitubercular drugs, few are on the horizon. To combat the problem of emerging drug resistance, structurally unique chemical entities that inhibit new targets will be required. Here we describe our investigations using whole cell screening of a diverse collection of small molecules as a methodology for identifying novel inhibitors that target new pathways for Mycobacterium tuberculosis drug discovery. We find that conducting primary screens using model mycobacterial species may limit the potential for identifying new inhibitors with efficacy against M. tuberculosis. In addition, we confirm the importance of developing in vitro assay conditions that are reflective of in vivo biology for maximizing the proportion of hits from whole cell screening that are likely to have activity in vivo. Finally, we describe the identification and characterization of two novel inhibitors that target steps in M. tuberculosis cell wall biosynthesis. The first is a novel benzimidazole that targets mycobacterial membrane protein large 3 (MmpL3), a proposed transporter for cell wall mycolic acids. The second is a nitro-triazole that inhibits decaprenylphosphoryl-β-d-ribose 2′-epimerase (DprE1), an epimerase required for cell wall biosynthesis. These proteins are both among the small number of new targets that have been identified by forward chemical genetics using resistance generation coupled with genome sequencing. This suggests that methodologies currently employed for screening and target identification may lead to a bias in target discovery and that alternative methods should be explored.

Mycobacterium tuberculosis remains a significant threat to global health. Macrophages are the host cell for M. tuberculosis infection, and although bacteria are able to replicate intracellularly under certain conditions, it is also clear that macrophages are capable of killing M. tuberculosis if appropriately activated. The outcome of infection is determined at least in part by the host-pathogen interaction within the macrophage; however, we lack a complete understanding of which host pathways are critical for bacterial survival and replication. To add to our understanding of the molecular processes involved in intracellular infection, we performed a chemical screen using a high-content microscopic assay to identify small molecules that restrict mycobacterial growth in macrophages by targeting host functions and pathways. The identified host-targeted inhibitors restrict bacterial growth exclusively in the context of macrophage infection and predominantly fall into five categories: G-protein coupled receptor modulators, ion channel inhibitors, membrane transport proteins, anti-inflammatories, and kinase modulators. We found that fluoxetine, a selective serotonin reuptake inhibitor, enhances secretion of pro-inflammatory cytokine TNF-α and induces autophagy in infected macrophages, and gefitinib, an inhibitor of the Epidermal Growth Factor Receptor (EGFR), also activates autophagy and restricts growth. We demonstrate that during infection signaling through EGFR activates a p38 MAPK signaling pathway that prevents macrophages from effectively responding to infection. Inhibition of this pathway using gefitinib during in vivo infection reduces growth of M. tuberculosis in the lungs of infected mice. Our results support the concept that screening for inhibitors using intracellular models results in the identification of tool compounds for probing pathways during in vivo infection and may also result in the identification of new anti-tuberculosis agents that work by modulating host pathways. Given the existing experience with some of our identified compounds for other therapeutic indications, further clinically-directed study of these compounds is merited.

The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection causes COVID-19, a pandemic that seriously threatens global health. SARS-CoV-2 propagates by packaging its RNA genome into membrane enclosures in host cells. The packaging of the viral genome into the nascent virion is mediated by the nucleocapsid (N) protein, but the underlying mechanism remains unclear. Here, we show that the N protein forms biomolecular condensates with viral genomic RNA both in vitro and in mammalian cells. Phase separation is driven, in part, by hydrophobic and electrostatic interactions. While the N protein forms spherical assemblies with unstructured RNA, it forms asymmetric condensates with viral RNA strands that contain secondary structure elements. Cross-linking mass spectrometry identified a region that forms interactions between N proteins in condensates, and truncation of this region disrupts phase separation. We also identified small molecules that alter the formation of N protein condensates. These results suggest that the N protein may utilize biomolecular condensation to package the SARS-CoV-2 RNA genome into a viral particle.

SUMMARY SARS-CoV-2 can cause a range of symptoms in infected individuals, from mild respiratory illness to acute respiratory distress syndrome. A systematic understanding of the host factors mediating viral infection or restriction is critical to elucidate SARS-CoV-2 host-pathogen interactions and the progression of COVID-19. To this end, we conducted genome-wide CRISPR knockout and activation screens in human lung epithelial cells with endogenous expression of the SARS-CoV-2 entry factors ACE2 and TMPRSS2. These screens uncovered proviral and antiviral host factors across highly interconnected host pathways, including components implicated in clathrin transport, inflammatory signaling, cell cycle regulation, and transcriptional and epigenetic regulation. We further identified mucins, a family of high-molecular weight glycoproteins, as a prominent viral restriction network. We demonstrate that multiple membrane-anchored mucins are critical inhibitors of SARS-CoV-2 entry and are upregulated in response to viral infection. This functional landscape of SARS-CoV-2 host factors provides a physiologically relevant starting point for new host-directed therapeutics and suggests interactions between SARS-CoV-2 and airway mucins of COVID-19 patients as a host defense mechanism.

The SARS coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has caused an ongoing global pandemic with currently 29 million confirmed cases and close to a million deaths. At this time, there are no FDA-approved vaccines or therapeutics for COVID-19, but Emergency Use Authorization has been granted for remdesivir, a broad-spectrum antiviral nucleoside analog. However, remdesivir is only moderately efficacious against SARS-CoV-2 in the clinic, and improved treatment strategies are urgently needed. To accomplish this goal, we devised a strategy to identify compounds that act synergistically with remdesivir in preventing SARS-CoV-2 replication. We conducted combinatorial high-throughput screening in the presence of submaximal remdesivir concentrations, using a human lung epithelial cell line infected with a clinical isolate of SARS-CoV-2. We identified 20 approved drugs that act synergistically with remdesivir, many with favorable pharmacokinetic and safety profiles. Strongest effects were observed with established antivirals, Hepatitis C virus nonstructural protein 5 A (HCV NS5A) inhibitors velpatasvir and elbasvir. Combination with their partner drugs sofosbuvir and grazoprevir further increased efficacy, increasing remdesivir’s apparent potency 25-fold. We therefore suggest that the FDA-approved Hepatitis C therapeutics Epclusa (velpatasvir/sofosbuvir) and Zepatier (elbasvir/grazoprevir) should be fast-tracked for clinical evaluation in combination with remdesivir to improve treatment of acute SARS-CoV-2 infections.

Abstract The COVID-19 pandemic is exacting an increasing toll worldwide, with new SARS-CoV-2 variants emerging that exhibit higher infectivity rates and that may partially evade vaccine and antibody immunity 1 . Rapid deployment of non-invasive therapeutic avenues capable of preventing infection by all SARS-CoV-2 variants could complement current vaccination efforts and help turn the tide on the COVID-19 pandemic 2 . Here, we describe a novel therapeutic strategy targeting the SARS-CoV-2 RNA using locked nucleic acid antisense oligonucleotides (LNA ASOs). We identified an LNA ASO binding to the 5’ leader sequence of SARS-CoV-2 ORF1a/b that disrupts a highly conserved stem-loop structure with nanomolar efficacy in preventing viral replication in human cells. Daily intranasal administration of this LNA ASO in the K18-hACE2 humanized COVID-19 mouse model potently (98-99%) suppressed viral replication in the lungs of infected mice, revealing strong prophylactic and treatment effects. We found that the LNA ASO also represses viral infection in golden Syrian hamsters, and is highly efficacious in countering all SARS-CoV-2 “variants of concern” tested in vitro and in vivo , including B.1.427, B.1.1.7, and B.1.351 variants 3 . Hence, inhaled LNA ASOs targeting SARS-CoV-2 represents a promising therapeutic approach to reduce transmission of variants partially resistant to vaccines and monoclonal antibodies, and could be deployed intranasally for prophylaxis or via lung delivery by nebulizer to decrease severity of COVID-19 in infected individuals. LNA ASOs are chemically stable and can be flexibly modified to target different viral RNA sequences 4 , and they may have particular impact in areas where vaccine distribution is a challenge, and could be stockpiled for future coronavirus pandemics.

As novel SARS-CoV-2 variants continue to emerge, it is critical that their potential to cause severe disease and evade vaccine-induced immunity is rapidly assessed in humans and studied in animal models. In early January 2021, a novel variant of concern (VOC) designated B.1.429 comprising 2 lineages, B.1.427 and B.1.429, was originally detected in California (CA) and shown to enhance infectivity in vitro and decrease antibody neutralization by plasma from convalescent patients and vaccine recipients. Here we examine the virulence, transmissibility, and susceptibility to pre-existing immunity for B 1.427 and B 1.429 in the Syrian hamster model. We find that both strains exhibit enhanced virulence as measured by increased body weight loss compared to hamsters infected with ancestral B.1 (614G), with B.1.429 causing the most body weight loss among all 3 lineages. Faster dissemination from airways to parenchyma and more severe lung pathology at both early and late stages were also observed with B.1.429 infections relative to B.1. (614G) and B.1.427 infections. In addition, subgenomic viral RNA (sgRNA) levels were highest in oral swabs of hamsters infected with B.1.429, however sgRNA levels in lungs were similar in all three strains. This demonstrates that B.1.429 replicates to higher levels than ancestral B.1 (614G) or B.1.427 in the upper respiratory tract (URT) but not in the lungs. In multi-virus in-vivo competition experiments, we found that epsilon (B.1.427/B.1.429) and gamma (P.1) dramatically outcompete alpha (B.1.1.7), beta (B.1.351) and zeta (P.2) in the lungs. In the URT gamma, and epsilon dominate, but the highly infectious alpha variant also maintains a moderate size niche. We did not observe significant differences in airborne transmission efficiency among the B.1.427, B.1.429 and ancestral B.1 (614G) variants in hamsters. These results demonstrate enhanced virulence and high relative fitness of the epsilon (B.1.427/B.1.429) variant in Syrian hamsters compared to an ancestral B.1 (614G) strain.In the last 12 months new variants of SARS-CoV-2 have arisen in the UK, South Africa, Brazil, India, and California. New SARS-CoV-2 variants will continue to emerge for the foreseeable future in the human population and the potential for these new variants to produce severe disease and evade vaccines needs to be understood. In this study, we used the hamster model to determine the epsilon (B.1.427/429) SARS-CoV-2 strains that emerged in California in late 2020 cause more severe disease and infected hamsters have higher viral loads in the upper respiratory tract compared to the prior B.1 (614G) strain. These findings are consistent with human clinical data and help explain the emergence and rapid spread of this strain in early 2021.

Abstract Encapsulin nanocompartments are an emerging class of prokaryotic protein-based organelles consisting of an encapsulin protein shell that encloses a protein cargo 1 . Genes encoding nanocompartments are widespread in bacteria and archaea, and recent works have characterized the biochemical function of several cargo enzymes 2 . However, the importance of these organelles to host physiology is poorly understood. Here, we report that the human pathogen Mycobacterium tuberculosis (Mtb) produces a nanocompartment that contains the dye-decolorizing peroxidase DypB. We show that this nanocompartment is important for the ability of Mtb to resist oxidative stress in low pH environments, including during infection of host cells and upon treatment with a clinically relevant antibiotic. Our findings are the first to implicate a nanocompartment in bacterial pathogenesis and reveal a new mechanism that Mtb uses to combat oxidative stress.