A new study shows that Wnt16 inhibits osteoclast formation, suggesting it may be a possible therapeutic option for treating bone fractures in osteoporosis. The WNT16 locus is a major determinant of cortical bone thickness and nonvertebral fracture risk in humans. The disability, mortality and costs caused by osteoporosis-induced nonvertebral fractures are enormous. We demonstrate here that Wnt16-deficient mice develop spontaneous fractures as a result of low cortical thickness and high cortical porosity. In contrast, trabecular bone volume is not altered in these mice. Mechanistic studies revealed that WNT16 is osteoblast derived and inhibits human and mouse osteoclastogenesis both directly by acting on osteoclast progenitors and indirectly by increasing expression of osteoprotegerin (Opg) in osteoblasts. The signaling pathway activated by WNT16 in osteoclast progenitors is noncanonical, whereas the pathway activated in osteoblasts is both canonical and noncanonical. Conditional Wnt16 inactivation revealed that osteoblast-lineage cells are the principal source of WNT16, and its targeted deletion in osteoblasts increases fracture susceptibility. Thus, osteoblast-derived WNT16 is a previously unreported key regulator of osteoclastogenesis and fracture susceptibility. These findings open new avenues for the specific prevention or treatment of nonvertebral fractures, a substantial unmet medical need.

ABSTRACT The protein MakA was discovered as a motility-associated secreted toxin from Vibrio cholerae , Here, we show that MakA is part of a gene cluster encoding four additional proteins: MakB, MakC, MakD and MakE. The MakA, MakB and MakE proteins were readily detected in culture supernatants of wild type V. cholerae whereas secretion was very much reduced from a flagellum deficient mutant. Crystal structures of MakA, MakB and MakE revealed structural relationship to a superfamily of bacterial pore-forming proteins. Cloning and expression of MakA/B/E in Escherichia coli resulted in toxicity of the bacteria towards Caenorhabditis elegans used as a predatory organism model. None of these Mak proteins alone or in pairwise combinations were cytolytic but an equimolar mixture of MakA, MakB and MakE acted as a tripartite cytolytic toxin in vitro causing lysis of erythrocytes and cytotoxicity on cultured human colon carcinoma cells. Formation of oligomeric complexes on liposomes was observed by electron microscopy. Oligomer interaction with membranes was initiated by MakA membrane binding followed by MakB and MakE joining in formation of a pore structure. A predicted membrane insertion domain of MakA was shown by site-directed mutagenesis to be essential for toxicity towards C. elegans . Bioinformatic analyses revealed that the makCDBAE gene cluster is present as a novel genomic island in the vast majority of sequenced genomes of V. cholerae and the fish pathogen V. anguillarum . We suggest that the hitherto unrecognized cytolytic MakA/B/E toxin can contribute to Vibrionaceae fitness and virulence potential in different host environments and organisms. Significance Statement Vibrio cholerae , responsible for outbreaks and pandemics of cholera disease, is a highly motile organism by virtue of a single flagellum. We describe that the flagellum facilitates the secretion of three V. cholerae proteins encoded by a hitherto unrecognized novel genomic island. The proteins MakA/B/E can form a tripartite cytolytic toxin that lyses erythrocytes and is cytotoxic to cultured human cells. A structural basis for the Mak protein cytolytic activity was obtained by X-ray crystallography. Flagellum-facilitated secretion, remarkably ensuring spatially co-ordinated delivery of Mak proteins, revealed a new role for the V. cholerae flagellum considered of particular significance for the bacterial environmental persistence. Our findings will pave the way for the development of new diagnostics and therapeutic strategies against pathogenic Vibrionaceae .

Abstract The worldwide spread of SARS-CoV-2 has been characterised by the emergence of several variants of concern (VOCs) presenting an increasing number of mutations in the viral genome. The spike glycoprotein, responsible for engaging the viral receptor ACE2, exhibits the highest density of mutations, suggesting an ongoing evolution to optimize viral entry. However, previous studies focussed on isolated molecular interactions, neglecting the intricate composition of the plasma membrane and the interplay between viral attachment factors. Our study explores the role of avidity and of the complexity of the plasma membrane composition in modulating the virus-host binding kinetics during the early stages of viral entry for the original Wuhan strain and three VOCs: Omicron BA.1, Delta, and Alpha. We employ fluorescent liposomes decorated with spike from several VOCs as virion mimics in single-particle tracking studies on native supported lipid bilayers derived from pulmonary Calu-3 cells. Our findings reveal an increase in the affinity of the multivalent bond to the cell surface for Omicron driven by an increased association rate. We show that heparan sulfate (HS), a sulfated glycosaminoglycan commonly expressed on cells’ plasma membrane, plays a central role in modulating the interaction with the cell surface and we observe a shift in its role from screening the interaction with ACE2 in early VOCs to an important binding factor for Omicron. This is caused by a ∼10-fold increase in Omicron’s affinity to HS compared to the original Wuhan strain, as shown using atomic force microscopy-based single-molecule force spectroscopy. Our results show the importance of coreceptors, particularly HS, and membrane complexity in the modulation of the attachment in SARS-CoV-2 VOCs. We highlight a transition in the variants’ attachment strategy towards the use of HS as an initial docking site, which likely plays a role in shaping Omicron’s tropism towards infection of the upper airways, milder symptoms, and higher transmissibility.

Abstract Certain human papillomaviruses (HPVs) are etiological agents for several anogenital and oropharyngeal cancers. During initial infection, HPV16, the most prevalent cancer-causing type, specifically interacts with heparan sulfates (HS), not only enabling initial cell attachment but also triggering a crucial conformational change in viral capsids termed structural activation. It is unknown, whether such HS-HPV16 interactions depend on HS sulfation patterns. Thus, we probed potential roles of HS sulfations using cell-based functional and physicochemical assays, including single molecule force spectroscopy. Our results demonstrate that N-sulfation of HS is crucial for virus binding and structural activation by providing high affinity sites, and that additional 6O-sulfation is required to mechanically stabilize the interaction, whereas 2O-sulfation and 3O-sulfation are mostly dispensable. Together, our findings identify the contribution of HS sulfation patterns to HPV16 binding and structural activation and reveal how distinct sulfation groups of HS synergize to facilitate HPV16 entry, which, in turn, likely influences the tropism of HPVs. Teaser Distinct heparan sulfations facilitate HPV16 binding and structural activation through their physico-chemical properties.

Abstract Tick-borne encephalitis virus is an enveloped, pathogenic, RNA virus in the family Flaviviridae , genus Flavivirus . Viral particles are formed when the nucleocapsid, consisting of an RNA genome and multiple copies of the capsid protein, buds through the endoplasmic reticulum membrane and acquires the viral envelope and the associated proteins. The coordination of the nucleocapsid components to the sites of assembly and budding are poorly understood. Here, we investigate nucleocapsid assembly by characterizing the interactions of the wild-type and truncated capsid proteins with membranes by using biophysical methods and model membrane systems. We show that capsid protein initially binds membranes via electrostatic interactions with negatively-charged lipids which is followed by membrane insertion. Additionally, we show that membrane-bound capsid protein can recruit viral genomic RNA. We confirm the biological relevance of the biophysical findings by using mass spectrometry to show that purified virions contain negatively-charged lipids. Our results suggest that nucleocapsid assembly is coordinated by negatively-charged membrane patches on the endoplasmic reticulum and that the capsid protein mediates direct contacts between the nucleocapsid and the membrane.

Over two decades, epidemiological studies have revealed that interactions between human polymorphic apolipoprotein 4 (ApoE, isoform 4) and herpes simplex virus type 1 (HSV1) associate with higher risk of Alzheimer9s disease, a serious and increasing issue among elder populations worldwide. Nevertheless, little is known about the mechanisms behind ApoE-HSV1 interactions at molecular levels. Here, we investigate the effects of ApoE on the HSV1 infectious life cycle in in vitro cell experiments. Analysis of HSV1 growth curves shows that HSV1 production is promoted in presence of any of the three ApoE isoforms, with ApoE 3 or 4 demonstrating more proviral effects than ApoE 2. Quantification by qPCR reveals that the presence of ApoE 2, 3, or 4 leads to an increase of HSV1 extracellular release but unchanged levels of viral genome copies within cells or on the cell surface, indicating that virus replication, assembly, or transport to cell membrane are not affected. Further test of virus release directly demonstrates that HSV1 detachment from the cell surface is promoted by ApoE. Subsequent results reveal that ApoE is both present in purified HSV1 particles produced in ApoE-expressing cells after ultra-centrifugation and able to incorporate into HSV1 particles after purification, suggesting that harbouring ApoE may play a key role in the pro-viral effect of ApoE. Along these lines, we tested the infectious behaviour of ApoE-coated viruses and observed faster attachment kinetics and higher entry efficiencies of ApoE decorated HSV1. Our hypothesis that the association with ApoE leads to modified interactions of the virus with the cell membrane during entry and egress, was further validated in biophysical experiments. In such experiments, HSV1-membrane interaction kinetics and apparent affinity between HSV1 and native supported lipid bilayers (a plasma membrane mimic) were quantified using total internal reflection microscopy. HSV1 particles decorated with ApoE demonstrate both higher association (kon) and dissociation rate constants (koff), as well as less irreversible binding to the membrane, which is in line with the biological experiments. Overall, our results provide new insights into the roles of ApoE during HSV1 infections, which is worth to be considered when studying their involvement during Alzheimer9s disease development.

Abstract Enteric adenovirus types F40 and 41 (EAdVs) are a leading cause of diarrhea and diarrhea-associated death in young children and have recently been proposed to cause acute hepatitis in children. Unlike other adenoviruses, EAdVs exhibit hitherto a strict tropism for gastrointestinal tissues with, to date, unknown infection mechanism and target cells. In this study, we turn to potentially limiting host factors by comparison of EAdV entry in cell lines with respiratory and intestinal origin by cellular perturbation, virus particle tracking and transmission electron microscopy. Our analyses highlight kinetic advantages in duodenal HuTu80 cell infection and reveal a larger fraction of mobile particles, faster virus uptake and infectious particle entry in intestinal cells. Moreover, EAdVs display a dependence on clathrin- and dynamin-dependent pathways in intestinal cells. Detailed knowledge of virus entry routes and host factor requirements is essential to understand pathogenesis and develop new countermeasures. Hence, this study provides novel insights into the entry mechanisms of a medically important virus with emerging tropism in a physiologically relevant cell line. Author Summary Enteric adenoviruses have historically been difficult to grow in cell culture, which resulted in lack of knowledge of host factors and pathways required for infection of these medically relevant viruses. Previous studies in non-intestinal cell lines showed slow infection kinetics and generated comparatively low virus yields compared to other adenovirus types. We suggest duodenum derived HuTu80 cells as a superior cell line for studies to complement efforts using complex intestinal tissue models. We show that viral host cell factors required for virus entry differ between cell lines from distinct origins and demonstrate the importance of clathrin-mediated endocytosis.

Abstract Caveolae are small plasma membrane invaginations, important for control of membrane tension, signaling cascades and lipid sorting. The caveolae coat protein Cavin1 is essential for shaping such high curvature membrane structures. Yet, a mechanistic understanding of how Cavin1 assembles at the membrane interface is lacking. Here, we used model membranes combined with biophysical dissection and computational modelling to show that Cavin1 inserts into membranes. We establish that initial PI(4,5)P 2 -dependent membrane adsorption of the trimeric helical region 1 (HR1) of Cavin1 mediates the subsequent partial separation and membrane insertion of the individual helices. Insertion kinetics of the HR1 is further enhanced by the presence of flanking negatively charged disordered regions, which was found important for the co-assembly of Cavin1 with Caveolin1 in living cells. We propose that this intricate mechanism potentiates membrane curvature generation and facilitates dynamic rounds of assembly and disassembly of Cavin1 at the membrane. Significance statement Caveolae are cholesterol enriched membrane invaginations coupled to severe muscle and lipid disorders. Their formation is dependent on assembly of the protein Cavin1 at the lipid membrane interface driving membrane curvature. In this work, we dissect the mechanism for how Cavin1 binds and inserts into membranes using a combination of biochemical and biophysical characterization as well as computational modelling. The proposed model for membrane assembly potentiates dynamic switching between shielded and exposed hydrophobic helices used for membrane insertion and clarifies how Cavin1 can drive membrane curvature and the formation of caveolae.

Abstract Many pathogenic bacteria produce protein toxins that target and perturb host cell membranes. The secreted α-pore-forming toxins (α-PFTs) cause membrane damage via pore formation. This study demonstrates a remarkable, hitherto unknown mechanism by an α-PFT protein from Vibrio cholerae . As part of the MakA/B/E tripartite toxin, MakA is involved in membrane pore formation similar to other α-PFTs. In contrast, MakA protein alone induces tube-like structures in the acidic lysosomal host cell compartment. In vitro studies unravel the dynamics of tubular growth, which occur in a pH-, lipid- and concentration-dependent manner. A 3.7-Å cryo-electron microscopy structure of MakA filaments reveals a unique protein-lipid superstructure. In its active α-PFT conformation, MakA embeds its transmembrane helices into a thin annular lipid bilayer and spirals around a central cavity. Our study provides molecular insights into a novel tubulation mechanism of an α-PFT protein, revealing a new mode of action by a secreted bacterial toxin.

ESCRT-III proteins are involved in many membrane remodeling processes including multivesicular body biogenesis as first discovered in yeast. In humans, CHMP2 exists as two potential isoforms, CHMP2A and CHMP2B, but their physical characteristics have not been compared yet. Here, we use a combination of technics on biomimetic systems and purified proteins to study their affinity and effects on membranes. We establish that CHMP2B binding is enhanced in the presence of PI(4,5)P2 lipids. In contrast, CHMP2A does not display lipid specificity and requires CHMP3 for binding significantly to membranes. On the micrometer scale and at moderate bulk concentrations, CHMP2B forms a reticular structure on membranes whereas CHMP2A (+CHMP3) binds homogeneously. Eventually, CHMP2A and CHMP2B unexpectedly induce different mechanical effects to membranes: CHMP2B strongly rigidifies them while CHMP2A (+CHMP3) has no significant effect. Altogether, we conclude that CHMP2B and CHMP2A cannot be considered as isoforms and might thus contribute differently to membrane remodeling processes.