Innate and adaptive defense mechanisms protect the respiratory system from attack by microbes. Here, we present evidence that the bitter taste receptor T2R38 regulates the mucosal innate defense of the human upper airway. Utilizing immunofluorescent and live cell imaging techniques in polarized primary human sinonasal cells, we demonstrate that T2R38 is expressed in human upper respiratory epithelium and is activated in response to acyl-homoserine lactone quorum-sensing molecules secreted by Pseudomonas aeruginosa and other gram-negative bacteria. Receptor activation regulates calcium-dependent NO production, resulting in stimulation of mucociliary clearance and direct antibacterial effects. Moreover, common polymorphisms of the TAS2R38 gene were linked to significant differences in the ability of upper respiratory cells to clear and kill bacteria. Lastly, TAS2R38 genotype correlated with human sinonasal gram-negative bacterial infection. These data suggest that T2R38 is an upper airway sentinel in innate defense and that genetic variation contributes to individual differences in susceptibility to respiratory infection.

Sandro Santagata, Gad Getz and colleagues report the discovery of a recurrent mutation in the oncogene BRAF in papillary craniopharyngiomas that does not occur in the histologically related adamantinomatous form. Their results have the potential to aid in diagnosis and treatment of these intracranial tumors. Craniopharyngiomas are epithelial tumors that typically arise in the suprasellar region of the brain1. Patients experience substantial clinical sequelae from both extension of the tumors and therapeutic interventions that damage the optic chiasm, the pituitary stalk and the hypothalamic area2,3,4. Using whole-exome sequencing, we identified mutations in CTNNB1 (β-catenin) in nearly all adamantinomatous craniopharyngiomas examined (11/12, 92%) and recurrent mutations in BRAF (resulting in p.Val600Glu) in all papillary craniopharyngiomas (3/3, 100%). Targeted genotyping revealed BRAF p.Val600Glu in 95% of papillary craniopharyngiomas (36 of 39 tumors) and mutation of CTNNB1 in 96% of adamantinomatous craniopharyngiomas (51 of 53 tumors). The CTNNB1 and BRAF mutations were clonal in each tumor subtype, and we detected no other recurrent mutations or genomic aberrations in either subtype. Adamantinomatous and papillary craniopharyngiomas harbor mutations that are mutually exclusive and clonal. These findings have important implications for the diagnosis and treatment of these neoplasms.

Bitter taste receptors (T2Rs) in the human airway detect harmful compounds, including secreted bacterial products. Here, using human primary sinonasal air-liquid interface cultures and tissue explants, we determined that activation of a subset of airway T2Rs expressed in nasal solitary chemosensory cells activates a calcium wave that propagates through gap junctions to the surrounding respiratory epithelial cells. The T2R-dependent calcium wave stimulated robust secretion of antimicrobial peptides into the mucus that was capable of killing a variety of respiratory pathogens. Furthermore, sweet taste receptor (T1R2/3) activation suppressed T2R-mediated antimicrobial peptide secretion, suggesting that T1R2/3-mediated inhibition of T2Rs prevents full antimicrobial peptide release during times of relative health. In contrast, during acute bacterial infection, T1R2/3 is likely deactivated in response to bacterial consumption of airway surface liquid glucose, alleviating T2R inhibition and resulting in antimicrobial peptide secretion. We found that patients with chronic rhinosinusitis have elevated glucose concentrations in their nasal secretions, and other reports have shown that patients with hyperglycemia likewise have elevated nasal glucose levels. These data suggest that increased glucose in respiratory secretions in pathologic states, such as chronic rhinosinusitis or hyperglycemia, promotes tonic activation of T1R2/3 and suppresses T2R-mediated innate defense. Furthermore, targeting T1R2/3-dependent suppression of T2Rs may have therapeutic potential for upper respiratory tract infections.

We report a comprehensive proteogenomics analysis, including whole-genome sequencing, RNA sequencing, and proteomics and phosphoproteomics profiling, of 218 tumors across 7 histological types of childhood brain cancer: low-grade glioma (n = 93), ependymoma (32), high-grade glioma (25), medulloblastoma (22), ganglioglioma (18), craniopharyngioma (16), and atypical teratoid rhabdoid tumor (12). Proteomics data identify common biological themes that span histological boundaries, suggesting that treatments used for one histological type may be applied effectively to other tumors sharing similar proteomics features. Immune landscape characterization reveals diverse tumor microenvironments across and within diagnoses. Proteomics data further reveal functional effects of somatic mutations and copy number variations (CNVs) not evident in transcriptomics data. Kinase-substrate association and co-expression network analysis identify important biological mechanisms of tumorigenesis. This is the first large-scale proteogenomics analysis across traditional histological boundaries to uncover foundational pediatric brain tumor biology and inform rational treatment selection.

Summary Coronaviruses are adept at evading host antiviral pathways induced by viral double-stranded RNA, including interferon (IFN) signaling, oligoadenylate synthetase–ribonuclease L (OAS-RNase L), and protein kinase R (PKR). While dysregulated or inadequate IFN responses have been associated with severe coronavirus infection, the extent to which the recently emerged SARS-CoV-2 activates or antagonizes these pathways is relatively unknown. We found that SARS-CoV-2 infects patient-derived nasal epithelial cells, present at the initial site of infection, induced pluripotent stem cell-derived alveolar type 2 cells (iAT2), the major cell type infected in the lung, and cardiomyocytes (iCM), consistent with cardiovascular consequences of COVID-19 disease. Robust activation of IFN or OAS-RNase L is not observed in these cell types, while PKR activation is evident in iAT2 and iCM. In SARS-CoV-2 infected Calu-3 and A549 ACE2 lung-derived cell lines, IFN induction remains relatively weak; however activation of OAS-RNase L and PKR is observed. This is in contrast to MERS-CoV, which effectively inhibits IFN signaling as well as OAS-RNase L and PKR pathways, but similar to mutant MERS-CoV lacking innate immune antagonists. Remarkably, both OAS-RNase L and PKR are activated in MAVS knockout A549 ACE2 cells, demonstrating that SARS-CoV-2 can induce these host antiviral pathways despite minimal IFN production. Moreover, increased replication and cytopathic effect in RNASEL knockout A549 ACE2 cells implicates OAS-RNase L in restricting SARS-CoV-2. Finally, while SARS-CoV-2 fails to antagonize these host defense pathways, which contrasts with other coronaviruses, the IFN signaling response is generally weak. These host-virus interactions may contribute to the unique pathogenesis of SARS-CoV-2. Significance SARS-CoV-2 emergence in late 2019 led to the COVID-19 pandemic that has had devastating effects on human health and the economy. Early innate immune responses are essential for protection against virus invasion. While inadequate innate immune responses are associated with severe COVID-19 diseases, understanding of the interaction of SARS-CoV-2 with host antiviral pathways is minimal. We have characterized the innate immune response to SARS-CoV-2 infections in relevant respiratory tract derived cells and cardiomyocytes and found that SARS-CoV-2 activates two antiviral pathways, oligoadenylate synthetase–ribonuclease L (OAS-RNase L), and protein kinase R (PKR), while inducing minimal levels of interferon. This in contrast to MERS-CoV which inhibits all three pathways. Activation of these pathways may contribute to the distinctive pathogenesis of SARS-CoV-2.

ABSTRACT Bitter taste receptors (T2Rs) are G protein-coupled receptors (GPCRs) expressed in various cell types including ciliated airway epithelial cells and macrophages. T2Rs in these two airway innate immune cell types are activated by bitter products, including some secreted by Pseudomonas aeruginosa , leading to Ca 2+ -dependent activation of endothelial nitric oxide (NO) synthase (eNOS). NO enhances mucociliary clearance and has direct antibacterial effects in ciliated epithelial cells and increases phagocytosis by macrophages. Using biochemistry and live cell imaging, we explored the role of heat shock protein 90 (HSP90) in regulating T2R-dependent NO pathways in primary sinonasal epithelial cells, primary monocyte-derived macrophages, and a human bronchiolar cell line (H441). We used immunofluorescence to show that H441 cells express eNOS and certain T2Rs and that the bitterant denatonium benzoate activates NO production in an HSP90-dependent manner in cells grown either as submerged cultures and at air liquid interface. In primary sinonasal epithelial cells, we determined that HSP-90 inhibition reduces T2R-stimulated NO production and ciliary beating which are crucial for pathogen clearance. In primary monocyte-derived macrophages, we found that HSP-90 is integral to T2R-stimulated NO production and phagocytosis of FITC-labeled Escherichia coli and pHrodo- Staphylococcus aureus . Our study demonstrates that HSP90 serves an innate immune role by regulating NO production downstream of T2R signaling by augmenting eNOS activation without impairing upstream calcium signaling. These findings suggest that HSP90 plays an important role in airway antibacterial innate immunity and may be an important target in airway diseases like chronic rhinosinusitis, asthma, or cystic fibrosis.

Abstract Bitter taste receptors (T2Rs) localize to airway motile cilia and initiate innate immune responses in retaliation to bacterial quorum sensing molecules (acyl-homoserine lactones and quinolones). Activation of T2Rs leads to calcium-driven NO production that increases cilia beating and directly kills bacteria. Several airway diseases, including chronic rhinosinusitis, COPD, and cystic fibrosis, are characterized by epithelial remodeling, including loss of motile cilia and/or squamous metaplasia. To understand the function of T2Rs within the altered landscape of airway disease, we studied T2Rs in non-ciliated airway cell lines and primary cells de-differentiated to a squamous phenotype. In differentiated cells, T2Rs localize to cilia, however in de-differentiated, non-ciliated cells they localize to the nucleus. Cilia and nuclear import utilize many shared proteins, thus in the absence of motile cilia some T2Rs may target to the nucleus. T2R agonists selectively elevated both nuclear and mitochondrial calcium through a G-protein-coupled receptor, phospholipase C, and InsP 3 receptor-dependent mechanism. Additionally, T2R agonists decreased nuclear cAMP, increased nitric oxide, and increased cGMP, consistent with T2R signaling. Furthermore, exposure to T2R agonists led to nuclear calcium-induced mitochondrial depolarization and caspase activation. T2R agonists induced apoptosis in primary bronchial and nasal cells differentiated at air-liquid interface but then induced to a squamous phenotype by apical submersion. Air-exposed well-differentiated cells did not die. This T2R-induced apoptosis may be a last-resort defense against infection, possibly when bacteria have breached the epithelial barrier and reach non-ciliated cells below. However, it may also increase susceptibility of de-differentiated or remodeled epithelia to damage by bacterial metabolites. Moreover, the T2R-activated apoptosis pathway occurs in airway cancer cells. T2Rs may thus contribute to microbiome-tumor cell crosstalk in airway cancers. T2R agonists may also be useful topical therapeutics (e.g., delivered by nasal rinse or nebulizer) for activating airway cancer cell apoptosis without killing surrounding differentiated tissue.

Abstract Multiple factors, including physical changes of the nasal mucosa and epithelium and exposure to air-borne environmental agents, appear to contribute to age-related olfactory loss. However, the molecular aspects of aging-associated olfactory loss in humans are not well understood. Although inflammation can be a significant underlying cause for olfactory impairment, whether aging increases the levels of inflammatory cytokines in the human olfactory mucosa and whether any inflammatory markers are associated with age-related olfactory loss remain unclear. Using a noninvasive method for collecting human olfactory mucus, we characterized and compared inflammatory cytokines, chemokines, and some growth factors, in the mucus collected from the olfactory cleft or the anterior nasal cavity from 12 healthy, young (18-40 years old) and 12 elderly (60-85 years old) individuals. We also hoped to identify candidate molecular biomarkers associated with age-associated olfactory loss in humans. Olfactory thresholds were obtained for two odorants and individual mucus samples were analyzed using multiplex assays for the levels of 30 cytokines. Results indicated elevated levels of certain inflammatory cytokines (IL-12, MCP-1) in olfactory mucus of the elderly, and high levels of some inflammatory factors (MCP-1, IL-8, IL-13 and VEGF) were associated with reduced olfactory sensitivity, suggesting that inflammation may play a role in olfactory decline associated with aging.

SUMMARY Bitter (T2R) and sweet/umami (T1R) taste receptors serve chemosensory roles throughout the body. In airway cilia, T2Rs detect bacterial metabolites to stimulate bactericidal nitric oxide. T1Rs in solitary chemosensory cells detect glucose in airway surface liquid (ASL) and bacterial D-stereoisomer amino acids to regulate antimicrobial peptides. Using differentiated air-liquid interface cultures of primary nasal cells, we show that the T1R3 receptor is also expressed in human and mouse nasal cell cilia. D-amino acids produced at low mM concentrations by Staphylococcus aureus activate T1R3 to decrease ASL glucose and increase apical glucose uptake by increasing GLUT2 and GLUT10 expression through a β-arrestin pathway. Our data suggests that T1R3 localized to cilia functions as an immune detector for D-amino acids to reduce ASL glucose and potentially limit bacterial growth. Given that glucose protected S. aureus against bactericidal NO produced during T2R activation, the reduced ASL glucose with T1R3 activation may also sensitize bacteria to other innate defenses. HIGHLIGHTS Nasal motile cilia express the T1R3 subunit of the sweet taste receptor S. aureus D-amino acids activate cilia T1R3 to enhance mucosal glucose uptake Reduced airway surface liquid glucose likely reduces S. aureus growth Reduced airway glucose also sensitizes S. aureus to epithelial NO production

Abstract T1Rs are expressed in solitary chemosensory cells of the upper airway where they detect apical glucose levels and repress bitter taste receptor Ca2+ signaling pathways. Microbial growth leads to a decrease in apical glucose levels. T1Rs detect this change and liberate bitter taste receptor signaling, initiating an innate immune response to both kill and expel pathogens through releasing antimicrobial peptides and increasing nitric oxide production and ciliary beat frequency. However, chronic inflammation due to disease, smoking, or viral infections causes a remodeling of the airway epithelial. The resulting squamous metaplasia causes a loss of multi-ciliated cells and solitary chemosensory cells, replaced by basal epithelial cells. To understand how T1R function is altered during disease, we used basal epithelial cells as a model to study the function of T1R3 on Ca 2+ signaling dynamics. We found that both T1R1 and T1R3 detect amino acids and signal via cAMP, increasing the responsiveness of the cells to Ca 2+ signaling stimuli. Either knocking down T1R1/3 or treating wild-type cells with MEM amino acids caused a reduction in ER Ca 2+ content through a non-cAMP signaled pathway. Treatment with amino acids led to a reduction in downstream denatonium-induced Ca 2+ -signaled caspase activity. Thus, amino acids may be used to reduce unwanted apoptosis signaling in treatments containing bitter compounds.