Abstract Background As the primary innate immune cells of the brain microglia respond to damage and disease through pro-inflammatory release of cytokines and neuroinflammatory molecules. Histone acetylation is an activating transcriptional mark that regulates gene expression, which is altered in states of disease. Inhibition of histone deacetylase 3 (Hdac3) has been utilized in pre-clinical models of disease to dampen inflammation, but the molecular mechanisms underlying Hdac3’s regulation of inflammatory gene expression in microglia is not well understood. Methods Functional changes in immortalized microglia were characterized using a Hdac3 specific inhibitor RGFP966 in response to an immune challenge lipopolysaccharide (LPS). Flow cytometry and cleavage under tags & release using nucleases (CUT & RUN) were used to investigate global and promoter-specific histone acetylation changes, resulting in altered gene expression. Results Hdac3 inhibition enhanced neuroprotective functions of microglia in response to LPS through reduced nitric oxide release and increased baseline phagocytosis. Inhibition of Hdac3 enhanced histone acetylation globally and at specific gene loci, resulting in the release of gene repression at baseline and enhanced responses to LPS. Conclusion The findings suggest Hdac3 serves as a negative regulator of microglial gene expression, and that inhibition of Hdac3 facilitates the microglial response to inflammation and its subsequent resolution. Together, this work provides new mechanistic insights into therapeutic applications of Hdac3 inhibition which mediate reduced neuroinflammatory insults through microglial response.

DNA–protein interactions (DPIs) are central to such fundamental cellular processes as transcription and chromosome maintenance and organization. The spatiotemporal dynamics of these interactions dictate their functional consequences; therefore, there is great interest in facile methods for defining the sites of DPI within cells. Here, we present a general method for mapping DPI sites in vivo using the double stranded DNA-specific cytosine deaminase toxin DddA. Our approach, which we term DddA-sequencing (3D-seq), entails generating a translational fusion of DddA to a DNA binding protein of interest, inactivating uracil DNA glycosylase, modulating DddA activity via its natural inhibitor protein, and DNA sequencing for genome-wide DPI detection. We successfully applied this method to three Pseudomonas aeruginosa transcription factors that represent divergent protein families and bind variable numbers of chromosomal locations. 3D-seq offers several advantages over existing technologies including ease of implementation and the possibility to measure DPIs at single-cell resolution.

Abstract Bacterial survival is fraught with antagonism, including that deriving from viruses and competing bacterial cells 1–3 4 . It is now appreciated that bacteria mount complex antiviral responses; however, whether a coordinated defense against bacterial threats is undertaken is not well understood. Previously we showed that Pseudomonas aeruginosa possess a danger sensing pathway that is a critical fitness determinant during competition against other bacteria 5, 6 . Here, we conducted genome-wide screens in P. aeruginosa that reveal three conserved and widespread interbacterial antagonism resistance clusters ( arc1-3 ). We find that although arc1-3 are coordinately activated by the Gac/Rsm danger sensing system, they function independently and provide idiosyncratic defense capabilities, distinguishing them from general stress response pathways. Our findings demonstrate that Arc3 family proteins provide specific protection against phospholipase toxins by preventing the accumulation of lysophospholipids in a manner distinct from previously characterized membrane repair systems. These findings liken the response of P. aeruginosa to bacterial threats to that of eukaryotic innate immunity, wherein threat detection leads to the activation of specialized defense systems.

As rapid responders to their environments, microglia engage in functions that are mirrored by their cellular morphology. Microglia are classically thought to exhibit a ramified morphology under homeostatic conditions which switches to an ameboid form during inflammatory conditions. However, microglia display a wide spectrum of morphologies outside of this dichotomy, including rod-like, ramified, ameboid, and hypertrophic states, which have been observed across brain regions, neurodevelopmental timepoints, and various pathological contexts. We used dimensionality reduction and clustering approaches to consider contributions of multiple morphology measures together to define a spectrum of microglial morphological states. Using ImageJ tools, we first developed a semi-automated approach to characterize 27 morphology features from hundreds to thousands of individual microglial cells in a brain subregion-specific manner. Within this pool of morphology measures, we defined distinct sets of highly correlated features that describe different aspects of morphology, including branch length, branching complexity, territory span, and cell circularity. When considered together, these sets of features drove different morphological clusters. Furthermore, our analysis toolset captured morphological states similarly and robustly when applied to independent datasets and using different immunofluorescent markers for microglia. We have compiled our morphology analysis pipeline into an accessible, easy to use, and fully open-source ImageJ macro and R package that the neuroscience community can expand upon and directly apply to their own analyses. Outcomes from this work will supply the field with new tools to systematically evaluate the heterogeneity of microglia morphological states across various experimental models and research questions.

Type VII secretion systems (ESX) are responsible for transport of multiple proteins in mycobacteria. How different ESX systems achieve specific secretion of cognate substrates remains elusive. In the ESX systems, the cytoplasmic chaperone EspG forms complexes with heterodimeric PE-PPE substrates that are secreted from the cells or remain associated with the cell surface. Here we report the crystal structure of the EspG1 chaperone from the ESX-1 system determined using a fusion strategy with T4 lysozyme. EspG1 adopts a quasi 2-fold symmetric structure that consists of a central β-sheet and two α-helical bundles. Additionally, we describe the structures of EspG3 chaperones from four different crystal forms. Alternate conformations of the putative PE-PPE binding site are revealed by comparison of the available EspG3 structures. Analysis of EspG1, EspG3 and EspG5 chaperones using small-angle X-ray scattering (SAXS) reveals that EspG1 and EspG3 chaperones form dimers in solution, which we observed in several of our crystal forms. Finally, we propose a model of the ESX-3 specific EspG3-PE5-PPE4 complex based on the SAXS analysis.

Abstract The brain’s extracellular matrix (ECM) regulates neuronal plasticity and animal behavior. ECM staining shows an aggregated pattern in a net-like structure around a subset of neurons and diffuse staining in the interstitial matrix. However, understanding the structural features of ECM deposition across various neuronal types and subcellular compartments remains limited. To visualize the organization pattern and assembly process of the hyaluronan-scaffolded ECM in the brain, we fused a HaloTag to HAPLN1, which links hyaluronan and proteoglycans. Expression or application of the probe enables us to identify spatial and temporal regulation of ECM deposition and heterogeneity in ECM aggregation among neuronal populations. Dual-color birthdating shows the ECM assembly process in culture and in vivo. Sparse expression in vivo reveals novel forms of ECM architecture around excitatory neurons and developmentally regulated dendritic ECM. Overall, our study uncovers extensive structural features of the brain’ ECM, suggesting diverse roles in regulating neuronal plasticity.

Abstract Background Neuroinflammation is involved in the pathogenesis of almost every central nervous system disorder. As the brain’s innate immune cells, microglia fine tune their activity to a dynamic brain environment. Previous studies have shown that repeated bouts of peripheral inflammation can trigger long-term changes in microglial gene expression and function, a form of innate immune memory. Methods and Results In this study, we used multiple low-dose lipopolysaccharide (LPS) injections in adult mice to study the acute cytokine, transcriptomic, and microglia morphological changes that contribute to the formation of immune memory in the frontal cortex, hippocampus, and striatum, as well as the long-term effects of these changes on behavior. Training and tolerance of gene expression was shared across regions, and we identified 3 unique clusters of DEGs (2xLPS-sensitive, 4xLPS-sensitive, LPS-decreased) with different biological functions. 2xLPS-sensitive DEG promoters were enriched for binding sites for IRF and NFkB family transcription factors, two key regulators of innate immune memory. We quantified shifts in microglia morphological populations and found that while the proportion of ramified and rod-like microglia mostly remained consistent within brain regions and sexes with LPS treatment, there was a shift from ameboid towards hypertrophic morphological states across immune memory states and a dynamic emergence and resolution of trains of rod-like microglia with repeated LPS. Conclusions Together, findings support the dynamic regulation of microglia during the formation of immune memories in the brain and support future work to exploit this model in brain disease contexts.