The colonic epithelium facilitates host-microorganism interactions to control mucosal immunity, coordinate nutrient recycling and form a mucus barrier. Breakdown of the epithelial barrier underpins inflammatory bowel disease (IBD). However, the specific contributions of each epithelial-cell subtype to this process are unknown. Here we profile single colonic epithelial cells from patients with IBD and unaffected controls. We identify previously unknown cellular subtypes, including gradients of progenitor cells, colonocytes and goblet cells within intestinal crypts. At the top of the crypts, we find a previously unknown absorptive cell, expressing the proton channel OTOP2 and the satiety peptide uroguanylin, that senses pH and is dysregulated in inflammation and cancer. In IBD, we observe a positional remodelling of goblet cells that coincides with downregulation of WFDC2-an antiprotease molecule that we find to be expressed by goblet cells and that inhibits bacterial growth. In vivo, WFDC2 preserves the integrity of tight junctions between epithelial cells and prevents invasion by commensal bacteria and mucosal inflammation. We delineate markers and transcriptional states, identify a colonic epithelial cell and uncover fundamental determinants of barrier breakdown in IBD.

Abstract The immunological synapse is a molecular hub that facilitates the delivery of three activation signals, namely antigen, costimulation/corepression and cytokines, from antigen-presenting cells (APC) to T cells. T cells release a fourth class of signaling entities, trans-synaptic vesicles (tSV), to mediate bidirectional communication. Here we present bead-supported lipid bilayers (BSLB) as versatile synthetic APCs to capture, characterize and advance the understanding of tSV biogenesis. Specifically, the integration of juxtacrine signals, such as CD40 and antigen, results in the adaptive tailoring and release of tSV, which differ in size, yields and immune receptor cargo compared with steadily released extracellular vesicles (EVs). Focusing on CD40L + tSV as model effectors, we show that PD-L1 trans-presentation together with TSG101, ADAM10 and CD81 are key in determining CD40L vesicular release. Lastly, we find greater RNA-binding protein and microRNA content in tSV compared with EVs, supporting the specialized role of tSV as intercellular messengers.

Loss-of-function mutations in the TLDc family of proteins cause a range of severe childhood-onset neurological disorders with common clinical features that include cerebellar neurodegeneration, ataxia and epilepsy. Of these proteins, oxidation resistance 1 (OXR1) has been implicated in multiple cellular pathways related to antioxidant function, transcriptional regulation and cellular survival; yet how this relates to the specific neuropathological features in disease remains unclear. Here, we investigate a range of loss-of-function mouse model systems and reveal that constitutive deletion of Oxr1 leads to a rapid and striking neuroinflammatory response prior to neurodegeneration that is associated with lysosomal pathology. We go on to show that neuroinflammation and cell death in Oxr1 knockouts can be completely rescued by the neuronal expression of Oxr1, suggesting that the phenotype is driven by the cell-intrinsic defects of neuronal cells lacking the gene. Next, we generate a ubiquitous, adult inducible knockout of Oxr1 that surprisingly displays rapid-onset ataxia and cerebellar neurodegeneration, establishing for the first time that the distinctive pathology associated with the loss of Oxr1 occurs irrespective of developmental stage. Finally, we describe two new homozygous human pathogenic variants in OXR1 that cause neurodevelopmental delay, including a novel stop-gain mutation. We also compare functionally two missense human pathogenic mutations in OXR1, including one newly described here, that cause different clinical phenotypes but demonstrate partially retained neuroprotective activity against oxidative stress. Together, these data highlight the essential role of Oxr1 in modulating neuroinflammatory and lysosomal pathways in the mammalian brain and support the hypothesis that OXR1 protein dosage may be critical for pathological outcomes in disease.

ABSTRACT The T cell Immunological Synapse (IS) is a pivotal hub for the regulation of adaptive immunity by endowing the exchange of information between cells engaged in physical contacts. Beyond the integration of antigen (signal one), co-stimulation (signal two), and cytokines (signal three), the IS facilitates the delivery of T-cell effector assemblies including supramolecular attack particles (SMAPs) and extracellular vesicles (EVs). How these particulate outputs differ among T -cell subsets and how subcellular compartments and signals exchanged at the synapse contribute to their composition is not fully understood. Here we harnessed bead-supported lipid bilayers (BSLBs) as a tailorable and versatile technology for the study of synaptic particle biogenesis and composition in different T-cell subsets, including CART. These synthetic antigen-presenting cells (APCs) facilitated the characterisation of trans-synaptic vesicles (tSV) as a heterogeneous population of EVs comprising among others PM-derived synaptic ectosomes and CD63 + exosomes. We harnessed BSLB to unveil the factors influencing the vesicular release of CD40L, as a model effector, identifying CD40 trans presentation, T-cell activation, ESCRT upregulation/recruitment, antigen density/potency, co-repression by PD-1 ligands, and its processing by ADAM10 as major determinants. Further, BSLB made possible the comparison of microRNA (miR) species associated with tSV and steadily released EVs. Altogether, our data provide evidence for a higher specialisation of tSV which are enriched not only in effector immune receptors but also in miR and RNA-binding proteins. Considering the molecular uniqueness and functional complexity of the tSV output, which is also accompanied by SMAPs, we propose their classification as signal four. Graphical abstract Highlights Bead Supported Lipid Bilayers (BSLB) reconstituting antigen-presenting cells support synapse assembly by T cells and the release of effector particles. BSLB facilitate the dissection of the cellular machineries and synapse composition shaping the released tSV. tSV and their steadily released counterparts have a different composition. TSV show a higher enrichment of effectors including immune receptors, miR, RNA- and other nucleic acid-binding proteins, than EVs.

Pericentrin is a conserved centrosomal protein whose dysfunction has been linked to several human diseases. The precise function of Pericentrin, however, is controversial. Here, we examine Drosophila Pericentrin-like-protein (PLP) function in vivo, in tissues that form both centrosomes and cilia. PLP mutant centrioles exhibit four major defects: (1) They are too short and have subtle structural defects; (2) They separate prematurely, and so overduplicate; (3) They organise fewer MTs during interphase; (4) They fail to establish and/or maintain a proper connection to the plasma membrane, although, surprisingly, mutant centrioles can still form an axoneme and recruit transition zone (TZ) proteins. We show that PLP helps to form pericentriolar clouds of electron-dense material that emanate from the central cartwheel spokes and spread outward to surround the mother centriole. The partial loss of these structures may explain the complex centriole, centrosome and cilium defects we observe in PLP mutant cells.

ABSTRACT SAMHD1 is a key regulator of dNTP metabolism, being activated by dGTP and converting dNTPs into their respective nucleosides. As a result, it plays a significant role in several distinct diseases. Not only is SAMHD1 a restriction factor for HIV-1 replication, which requires dNTPs for replication, but it is also required for genome stability, is mutated in multiple cancers, and loss of function mutations cause Acardi-Goutières Syndrome, an early-onset inherited encephalopathy. In this paper we knock out the SAMHD1 gene in pluripotent stem cells, and show that it also affects nucleoside analogue sensitivity of dividing cells and deoxyguanosine toxicity in a cell cycle-independent manner. Comparing wild type and gene-edited macrophages, we also show that deoxyguanosine toxicity is associated with pro-inflammatory cell death, modifications in uric acid production and the formation of monosodium urate crystals within the macrophages. These novel features of the SAMHD1 −/− phenotype provide unique insights into the aetiology of Acardi-Goutières Syndrome, and have implications for certain chemotherapeutic agents.

Purpose: Neuroscience methods working on widely different scales can complement and inform each other. At the macroscopic scale, magnetic resonance imaging methods that estimate microstructural measures have much to gain from ground truth validation and models based on accurate measurement of that microstructure. We present an approach to generate rich and accurate geometric models of white matter microstructure through dense segmentation of 3D electron microscopy (EM). Methods: Volumetric data of the white matter of the genu of the corpus callosum of the adult mouse brain were acquired using serial blockface scanning electron microscopy (SBF-SEM). A segmentation pipeline was developed to separate the 3D EM data into compartments and individual cellular and subcellular constituents, making use of established tools as well as newly developed algorithms to achieve accurate segmentation of various compartments. Results: The volume was segmented into six compartments comprising myelinated axons (axon, myelin sheath, nodes of Ranvier), oligodendrocytes, blood vessels, mitochondria, and unmyelinated axons. The myelinated axons had an average inner diameter of 0.56 μm and an average outer diameter of 0.87 μm. The diameter of unmyelinated axons was 0.43 μm. A mean g-ratio of 0.61 was found for myelinated axons, but the g-ratio was highly variable between as well as within axons. Conclusion: The approach for segmentation of 3D EM data yielded a dense annotation of a range of white matter compartments that can be interrogated for their properties and used for in silico experiments of brain structure. We provide the resulting dense annotation as a resource to the neuroscience community.

Exosomes are secreted extracellular vesicles (EVs) carrying diverse cargos, which can modulate recipient cell behaviour. They are thought to derive from intraluminal vesicles formed in late endosomal multivesicular bodies (MVBs). An alternate exosome formation mechanism, which is conserved from fly to human, is described here, with exosomes carrying unique cargos, including the GTPase Rab11, generated in Rab11-positive recycling endosomal MVBs. Release of these exosomes from cancer cells is increased by reducing Akt/mechanistic Target of Rapamycin (mTORC1) signalling or depleting the key metabolic substrate glutamine, which diverts membrane flux through recycling endosomes. The resulting vesicles promote tumour cell proliferation and turnover, and modulate blood vessel networks in xenograft mouse models in vivo. Their growth-promoting activity, which is also observed in vitro, is Rab11a-dependent, involves ERK-MAPK-signalling and is inhibited by antibodies against Amphiregulin, an EGFR ligand concentrated on these vesicles. Therefore, glutamine depletion or mTORC1 inhibition stimulates release of Rab11a-exosomes with pro-tumorigenic functions, which we propose promote stress-induced tumour adaptation.

Abstract Lipids play a major role in inflammatory diseases by altering inflammatory cell functions, through their use as energy substrates or as lipid mediators such as oxylipins. Autophagy, a lysosomal degradation pathway that limits inflammation, is known to impact on lipid availability, however whether this controls inflammation remains unexplored. We found that upon intestinal inflammation visceral adipocytes upregulate autophagy and that adipocyte-specific loss of the autophagy gene Atg7 exacerbates inflammation. While autophagy decreased lipolytic release of free fatty acids, loss of the major lipolytic enzyme Pnpla2/Atgl in adipocytes did not alter intestinal inflammation, ruling out free fatty acids as anti- inflammatory energy substrates. Instead, Atg7 -deficient adipose tissues exhibited an altered oxylipin balance, driven through an NRF2-mediated upregulation of Ephx1 . This was accompanied by a shift in adipose tissue macrophage polarization with reduced secretion of IL-10, leading to lower circulating levels of IL-10. These results suggest an underappreciated fat-gut crosstalk through an autophagy- dependent regulation of anti-inflammatory oxylipins, indicating a protective effect of adipose tissues for distant inflammation.

During peptidoglycan recycling (PR) bacteria can recover extracellular fragments of peptidoglycan (PGN) liberated by peptidoglycan turnover (PT) during cell growth and division, and reuse them in cell wall biosynthesis or central carbon metabolism. In Gram-negative bacteria, PR has been well studied, and functions in the induction of resistance to certain classes of antibiotics, and in host-pathogen interaction. However, while Gram-negative cell envelope architecture allows for highly efficient PR, Gram-positive bacteria, which lack an outer cell membrane and are instead enclosed by a glycopolymer layer, can shed large quantities of PGN-derived material to the external environment during growth. Nonetheless, the occurrence of PR was recently demonstrated in several Gram-positive bacteria, including the Gram-positive bacterial pathogen Staphylococcus aureus, and its potential adaptive functions are largely unexplored. Given the known roles of PR in Gram-negative bacteria, and that Gram-positive bacteria include several important human pathogens, we asked what role PR may play during Gram-positive pathogen-host interaction. Using the model insect host Drosophila melanogaster, we demonstrate that S. aureus mutants impaired in extracellular PGN hydrolysis (Δatl) and PGN fragment uptake (ΔmurP) show differential virulence compared to their wild-type counterpart. This was linked to increased activation of the D. melanogaster Toll-cascade by spent supernatant from the Δatl mutant. Thus, we propose that S. aureus, and potentially other Gram-positive bacteria, may use extracellular PGN degradation during PT to simultaneously process PGN fragments for recycling and for immune evasion, while recovery and metabolism of peptidoglycan fragments during PR may play more subtle roles in determining virulence.