The zebrafish genomic sequence database was analysed for the presence of genes encoding members of the Toll-like receptors (TLR) and interleukin receptors (IL-R) and associated adaptor proteins containing a TIR domain. The resulting predictions show the presence of one or more counterparts for the human TLR1, TLR2, TLR3, TLR4, TLR5, TLR7, TLR8, TLR9, IL-1R and IL-18R genes and one copy of the adaptor genes MyD88, MAL, TRIF and SARM. In contrast to data for the pufferfish Fugu rubripes, zebrafish has two genes that are highly similar to human TLR4. In addition, one fish-specific TLR group can be distinguished that is closely related to the Drosophila melanogaster Toll-9 gene. The sequence of cloned cDNAs for TLR4, TLR2 and MyD88 show the same intron-exon organisation as in the human counterparts. Expression analysis using reverse transcriptase-PCR (RT-PCR) shows that 17 of the predicted zebrafish TLR genes and all the genes encoding adaptor proteins are expressed in the adult stage. A subset of the TLR genes are expressed at higher levels in fish infected with the pathogen Mycobacterium marinum. The induced genes include the homologues of the human TLR1 and TLR2 genes, whose functions are associated with mycobacterial infections, underscoring the suitability of zebrafish as a model for analysis of the vertebrate innate immune system.

Abstract Dram1 is a stress and infection inducible autophagy modulator that functions downstream of transcription factors p53 and NFκB. Using a zebrafish embryo infection model, we have previously shown that Dram1 provides protection against the intracellular pathogen Mycobacterium marinum by promoting the p62-dependent xenophagy of bacteria that have escaped into the cytosol. However, the possible interplay between Dram1 and other anti-bacterial autophagic mechanisms remains unknown. Recently, LC3-associated phagocytosis (LAP) has emerged as an important host defense mechanism that requires components of the autophagy machinery and targets bacteria directly in phagosomes. Our previous work established LAP as the main autophagic mechanism by which macrophages restrict growth of Salmonella Typhimurium in a systemically infected zebrafish host. We therefore employed this infection model to investigate the possible role of Dram1 in LAP. Morpholino knockdown or CRISPR/Cas9-mediated mutation of Dram1 led to reduced host survival and increased bacterial burden during S . Typhimurium infections. In contrast, overexpression of dram1 by mRNA injection curtailed Salmonella replication and reduced mortality of the infected host. During the early response to infection, GFP-Lc3 levels in transgenic zebrafish larvae correlated with the dram1 expression level, showing over two-fold reduction of GFP-Lc3- Salmonella association in dram1 knockdown or mutant embryos and an approximately 30% increase by dram1 overexpression. Since LAP is known to require the activity of the phagosomal NADPH oxidase, we used a Salmonella biosensor strain to detect bacterial exposure to reactive oxygen species (ROS) and found that the ROS response was largely abolished in the absence of dram1 . Together, these results demonstrate the host protective role of Dram1 during S . Typhimurium infection and suggest a functional link between Dram1 and the induction of LAP.

Abstract Glucocorticoids are effective drugs for treating immune-related diseases, but prolonged therapy is associated with an increased risk of various infectious diseases, including tuberculosis. In this study, we have used a larval zebrafish model for tuberculosis, based on Mycobacterium marinum ( Mm ) infection, to study the effect of glucocorticoids. Our results show that the synthetic glucocorticoid beclomethasone increases the bacterial burden and the dissemination of a systemic Mm infection. The exacerbated Mm infection was associated with a decreased phagocytic activity of macrophages, higher percentages of extracellular bacteria, and a reduced rate of infected cell death, whereas the bactericidal capacity of the macrophages was not affected. The inhibited phagocytic capacity of macrophages was associated with suppression of the transcription of genes involved in phagocytosis in these cells. The decreased bacterial phagocytosis by macrophages was not specific for Mm , since it was also observed upon infection with Salmonella Typhimurium. In conclusion, our results show that glucocorticoids inhibit the phagocytic activity of macrophages, which may increase the severity of bacterial infections like tuberculosis. Summary statement Using a zebrafish tuberculosis model, we show that glucocorticoids decrease phagocytosis by macrophages, thereby increasing the bacterial burden. This may explain the glucocorticoid-induced increase in susceptibility to tuberculosis in humans.

ABSTRACT Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) as well as nontuberculous mycobacteria are intracellular pathogens whose treatment is extensive and increasingly impaired due to the rise of mycobacterial drug resistance. The loss of antibiotic efficacy has raised interest in the identification of host-directed therapeutics (HDT) to develop novel treatment strategies for mycobacterial infections. In this study, we identified amiodarone as a potential HDT candidate that inhibited both intracellular Mtb and Mycobacterium avium in primary human macrophages without directly impairing bacterial growth, thereby confirming that amiodarone acts in a host-mediated manner. Moreover, amiodarone induced the formation of (auto)phagosomes and enhanced autophagic targeting of mycobacteria in macrophages. The induction of autophagy by amiodarone is likely due to enhanced transcriptional regulation, as the nuclear intensity of the transcription factor EB, the master regulator of autophagy and lysosomal biogenesis, was strongly increased. Furthermore, blocking lysosomal degradation with bafilomycin impaired the host-beneficial effect of amiodarone. Finally, amiodarone induced autophagy and reduced bacterial burden in a zebrafish embryo model of tuberculosis, thereby confirming the HDT activity of amiodarone in vivo . In conclusion, we have identified amiodarone as an autophagy-inducing antimycobacterial HDT that improves host control of mycobacterial infections. IMPORTANCE Due to the global rise in antibiotic resistance, there is a strong need for alternative treatment strategies against intracellular bacterial infections, including Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) and non-tuberculous mycobacteria. Stimulating host defense mechanisms by host‐directed therapy (HDT) is a promising approach for treating mycobacterial infections. This study identified amiodarone, an antiarrhythmic agent, as a potential HDT candidate that inhibits the survival of Mtb and Mycobacterium avium in primary human macrophages. The antimycobacterial effect of amiodarone was confirmed in an in vivo tuberculosis model based on Mycobacterium marinum infection of zebrafish embryos. Furthermore, amiodarone induced autophagy and inhibition of the autophagic flux effectively impaired the host-protective effect of amiodarone, supporting that activation of the host (auto)phagolysosomal pathway is essential for the mechanism of action of amiodarone. In conclusion, we have identified amiodarone as an autophagy-inducing HDT that improves host control of a wide range of mycobacteria.

Abstract Neutrophilic inflammation with prolonged neutrophil survival is common to many inflammatory conditions, including chronic obstructive pulmonary disease (COPD). There are few specific therapies that reverse neutrophilic inflammation, but uncovering mechanisms regulating neutrophil survival is likely to identify novel therapeutic targets. Screening of 367 kinase inhibitors in human neutrophils and a zebrafish tail fin injury model identified ErbBs as common targets of compounds that accelerated inflammation resolution. The ErbB inhibitors gefitinib, CP-724714, erbstatin and tyrphostin AG825 significantly accelerated apoptosis of human neutrophils, including neutrophils from people with COPD. Neutrophil apoptosis was also increased in Tyrphostin AG825 treated-zebrafish in vivo . Tyrphostin AG825 decreased peritoneal inflammation in zymosan-treated mice, and increased lung neutrophil apoptosis and macrophage efferocytosis in a murine acute lung injury model. Tyrphostin AG825 and knockdown of egfra and erbb2 by CRISPR/Cas9 reduced inflammation in zebrafish. Our work shows that inhibitors of ErbB kinases have therapeutic potential in neutrophilic inflammatory disease.

Abstract Background The function of Toll-like receptor 2 (TLR2) in host defense against pathogens, especially Mycobacterium tuberculosis (Mtb) is poorly understood. To investigate the role of TLR2 during mycobacterial infection, we analyzed the response of tlr2 zebrafish mutant larvae to infection with Mycobacterium marinum (Mm), a close relative to Mtb, as a model for tuberculosis. We measured infection burdens and transcriptome responses using RNA deep sequencing in mutant and control larvae. Results tlr2 mutant embryos at 2 dpf do not show morphological alterations or differences in the number of macrophages and neutrophils when compared to control embryos. However, we found substantial changes in gene expression in these mutants, particularly in developmental and metabolic pathways, when compared with the heterozygote tlr2 +/− control. After Mm infection, bacterial burden was six to ten fold higher in tlr2 −/− larvae than in tlr2 +/− , or tlr2 +/+ larvae, indicating that Tlr2 acts as a protective factor in zebrafish host defense. RNAseq analysis of infected tlr2 −/− versus tlr2 +/− shows that the number of up-regulated and down-regulated genes in response to infection was greatly diminished in tlr2 mutants by at least 2 fold and 10 fold, respectively. Analysis of the transcriptome data and qPCR validation shows that Mm infection of tlr2 mutants leads to decreased mRNA levels of genes involved in inflammation and immune responses, including il1b , tnfb , cxcl11aa/ac , fosl1a , and cebpb . Furthermore, RNAseq analyses revealed that the expression of genes for Maf family transcription factors, vitamin D receptors, and Dicps proteins is significantly altered in tlr2 mutants with or without infection. In addition, the data indicate a function of Tlr2 in the control of induction of cytokines and chemokines, such as the CXCR3-CXCL11 signaling axis. Conclusion The transcriptome and infection burden analyses give support for a function of TLR2 in host defense against mycobacteria. Transcriptome analysis revealed tlr2 -specific pathways involved in Mm infection, which are related to responses to Mtb infection in human macrophages. Considering its dominant function in control of transcriptional processes that govern defense responses and metabolism, the TLR2 protein can be expected to be also of importance for other infectious diseases and interactions with the microbiome.

Abstract The emergence of antimicrobial resistance has created an urgent need for alternative treatments against bacterial pathogens. Here, we investigated kinase inhibitors as potential host-directed therapies (HDTs) against intracellular bacteria, specifically Salmonella Typhimurium ( Stm ) and Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ). We screened 827 ATP-competitive kinase inhibitors with known target profiles from two Published Kinase Inhibitor Sets (PKIS1 and PKIS2) using intracellular infection models for Stm and Mtb , based on human cell lines and primary macrophages. Additionally, the in vivo safety and efficacy of the compounds were assessed using zebrafish embryo infection models. Our screen identified 11 hit compounds for Stm and 17 hit compounds for Mtb that were effective against intracellular bacteria and non-toxic for host cells. Further experiments were conducted to prioritize Stm hit compounds that were able to clear the intracellular infection in primary human macrophages. From these, two structurally related Stm hit compounds, GSK1379738A and GSK1379760A, exhibited significant activity against Stm in infected zebrafish embryos. In addition, we identified compounds that were active against intracellular Mtb , including morpholino-imidazo/triazolo-pyrimidinones that target PIK3CB, as well as 2-aminobenzimidazoles targeting ABL1. Overall, this study provided insights into kinase targets acting at the host–pathogen interface and identified several kinase inhibitors as potential HDTs.

Abstract Mycobacterial pathogens are the causative agents of chronic infectious diseases like tuberculosis and leprosy. Autophagy has recently emerged as an innate mechanism for defense against these intracellular pathogens. In vitro studies have shown that mycobacteria escaping from phagosomes into the cytosol are ubiquitinated and targeted by selective autophagy receptors. However, there is currently no in vivo evidence for the role of selective autophagy receptors in defense against mycobacteria, and the importance of autophagy in control of mycobacterial diseases remains controversial. Here we have used Mycobacterium marinum (Mm), which causes a tuberculosis-like disease in zebrafish, to investigate the function of two selective autophagy receptors, Optineurin (Optn) and SQSTM1 (p62), in host defense against a mycobacterial pathogen. To visualize the autophagy response to Mm in vivo , optn and p62 zebrafish mutant lines were generated in the background of a GFP-Lc3 autophagy reporter line. We found that loss-of-function mutation of optn or p62 reduces autophagic targeting of Mm, and increases susceptibility of the zebrafish host to Mm infection. Transient knockdown studies confirmed the requirement of both selective autophagy receptors for host resistance against Mm infection. For gain-of-function analysis, we overexpressed optn or p62 by mRNA injection and found this to increase the levels of GFP-Lc3 puncta in association with Mm and to reduce the Mm infection burden. Taken together, our results demonstrate that both Optineurin and p62 are required for autophagic host defense against mycobacterial infection and support that protection against tuberculosis disease may be achieved by therapeutic strategies that enhance selective autophagy. Author summary Tuberculosis is a serious infectious disease that claims over a million lives annually. Vaccination provides insufficient protection and the causative bacterial pathogen, Mycobacterium tuberculosis , is becoming increasingly resistant to antibiotic therapy. Therefore, there is an urgent need for novel therapeutic strategies. Besides searches for new antibiotics, considerable efforts are being made to identify drugs that improve the immune defenses of the infected host. One host defense pathway under investigation for therapeutic targeting is autophagy, a cellular housekeeping mechanism that can direct intracellular bacteria to degradation. However, evidence for the anti-mycobacterial function of autophagy is largely based on studies in cultured cells. Therefore, we set out to investigate anti-mycobacterial autophagy using zebrafish embryos, which develop hallmarks of tuberculosis following infection with Mycobacterium marinum . Using red-fluorescent mycobacteria and a green-fluorescent zebrafish autophagy reporter we could visualize the anti-mycobacterial autophagy response in a living host. We generated mutant and knockdown zebrafish for two selective autophagy receptors, Optineurin and p62, and found that these have reduced anti-bacterial autophagy and are more susceptible to tuberculosis. Moreover, we found that increased expression of these receptors enhances anti-bacterial autophagy and protects against tuberculosis. These results provide new evidence for the host-protective function of selective autophagy in tuberculosis.

Abstract The emergence of antimicrobial resistance has created an urgent need for alternative treatment strategies against deadly bacterial species. In this study, we investigated the potential of kinase inhibitors as host-directed therapies (HDTs) for combating infectious diseases caused by intracellular bacteria, specifically Salmonella Typhimurium ( Stm ) and Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ). We screened 827 ATP-competitive kinase inhibitors with known target profiles from two Published Kinase Inhibitor Sets (PKIS1 and PKIS2) using intracellular infection models for Stm and Mtb , based on human cell lines and primary macrophages. Additionally, the in vivo efficacy of the compounds was assessed using zebrafish embryo infection models. Our kinase inhibitor screen identified 14 hit compounds for Stm and 19 hit compounds for Mtb that were effective against intracellular bacteria and non-toxic for host cells. Further validation experiments showed the high efficacy of most Stm hit compounds and their ability to fully clear the intracellular infection both in cell lines and primary human macrophages. From these, two structurally related Stm hit compounds, GSK1379738A and GSK1379760A, exhibited significant effectiveness against Stm in infected zebrafish embryos. Compounds that were active against intracellular Mtb included morpholino-imidazo/triazolo-pyrimidinones that specifically target the kinases PIK3CB and PIK3CD as well as 2-aminobenzimidazoles targeting BLK, ABL1 and TRKA. Overall, this study provided insight into critical kinase targets acting at the host-pathogen interface and identified novel kinase inhibitors as potential HDTs for intracellular bacterial infections.

Abstract The innate immune response to inflammatory stimuli must be finely balanced to produce an appropriate pro-inflammatory response while allowing a subsequent return to homeostasis. In recent years, in vivo transgenic zebrafish models have shed light on the temporal regulation of the pro-inflammatory innate response to immune challenges. However, until now, there have been no zebrafish transgenic models of anti-inflammatory signalling. We compared existing expression data of arginase genes in zebrafish neutrophils and macrophages, strong candidates for an anti-inflammatory marker, and identified that arginase 2 is the most highly expressed Arginase in zebrafish immune cells. We developed an arginase 2 ( arg2 ) bacterial artificial chromosome (BAC) transgenic line, TgBAC(arg2:eGFP)sh571 , driving GFP expression under the control of the arg2 promoter. We show that, under resting conditions, arg2:GFP is expressed in ionocytes, matching the in situ hybridisation pattern. Upon immune challenge by injury, bacterial and fungal insults, arg2:GFP is predominantly expressed in neutrophils at early timepoints post-insult. Later in infections, arg2:GFP is expressed in cells associated with foci of infection (including neutrophils and macrophages), alongside liver expression. Our data indicate that arginase 2 is predominantly expressed in neutrophils after immune challenge and suggest that anti-inflammatory signals coincide with pro-inflammatory signals during early wound and infection responses.