Professional phagocytes like neutrophils and macrophages tightly control what they consume, how much they consume, and when they move after cargo uptake. We show that plasma membrane abundance is a key arbiter of these cellular behaviors. Neutrophils and macrophages lacking the G protein subunit Gβ 4 exhibited profound plasma membrane expansion, accompanied by marked reduction in plasma membrane tension. These biophysical changes promoted the phagocytosis of bacteria, fungus, apoptotic corpses, and cancer cells. We also found that Gβ 4 -deficient neutrophils are defective in the normal inhibition of migration following cargo uptake. Sphingolipid synthesis played a central role in these phenotypes by driving plasma membrane accumulation in cells lacking Gβ 4 . In Gβ 4 knockout mice, neutrophils not only exhibited enhanced phagocytosis of inhaled fungal conidia in the lung but also increased trafficking of engulfed pathogens to other organs. Together, these results reveal an unexpected, biophysical control mechanism central to myeloid functional decision-making.

Phagocytosis is an intensely physical process that depends on the mechanical properties of both the phagocytic cell and its chosen target. Here, we employed differentially deformable hydrogel microparticles to examine the role of cargo rigidity in the regulation of phagocytosis by macrophages. Whereas stiff cargos elicited canonical phagocytic cup formation and rapid engulfment, soft cargos induced an architecturally distinct response, characterized by filamentous actin protrusions at the center of the contact site, slower cup advancement, and frequent phagocytic stalling. Using phosphoproteomics, we identified β 2 integrins and their downstream effectors as critical mediators of this mechanically regulated phagocytic switch. Indeed, comparison of wild type and β 2 integrin deficient macrophages indicated that integrin signaling acts as a mechanical checkpoint by shaping filamentous actin to enable distinct phagocytic engulfment strategies. Collectively, these results illuminate the molecular logic of leukocyte mechanosensing and reveal potential avenues for modulating phagocyte function in immunotherapeutic contexts.

Immune cells have intensely physical lifestyles characterized by structural plasticity and force exertion. To investigate whether specific immune functions require stereotyped mechanical outputs, we used super-resolution traction force microscopy to compare the immune synapses formed by cytotoxic T cells with contacts formed by other T cell subsets and by macrophages. T cell synapses were globally compressive, which was fundamentally different from the pulling and pinching associated with macrophage phagocytosis. Spectral decomposition of force exertion patterns from each cell type linked cytotoxicity to compressive strength, local protrusiveness, and the induction of complex, asymmetric topography. These features were validated as cytotoxic drivers by genetic disruption of cytoskeletal regulators, live imaging of synaptic secretion, and in silico analysis of interfacial distortion. Synapse architecture and force exertion were sensitive to target stiffness and size, suggesting that the mechanical potentiation of killing is biophysically adaptive. We conclude that cellular cytotoxicity and, by implication, other effector responses are supported by specialized patterns of efferent force.

Axonal sorting, the controlled passage of specific cargoes from the cell soma into the axon compartment, is critical for establishing and maintaining the polarity of mature neurons. To delineate axonal sorting events, we took advantage of two neuroinvasive alpha-herpesviruses. Human herpes simplex virus 1 (HSV-1) and pseudorabies virus of swine (PRV; suid herpesvirus 1) have evolved as robust cargo of axonal sorting and transport mechanisms. For efficient axonal sorting and subsequent egress from axons and presynaptic termini, progeny capsids depend on three viral membrane proteins (Us7 (gI), Us8 (gE), and Us9), which engage axon-directed kinesin motors. We present evidence that Us7-9 of the veterinary pathogen pseudorabies virus (PRV) form a tripartite complex to recruit Kif1a, a kinesin-3 motor. Based on multi-channel super-resolution and live TIRF microscopy, complex formation and motor recruitment occurs at the trans-Golgi network. Subsequently, progeny virus particles enter axons as enveloped capsids in a transport vesicle. Artificial recruitment of Kif1a using a drug-inducible heterodimerization system was sufficient to rescue axonal sorting and anterograde spread of PRV mutants devoid of Us7-9. Importantly, biophysical evidence suggests that Us9 is able to increase the velocity of Kif1a, a previously undescribed phenomenon. In addition to elucidating mechanisms governing axonal sorting, our results provide further insight into the composition of neuronal transport systems used by alpha-herpesviruses, which will be critical for both inhibiting the spread of infection and the safety of herpesvirus-based oncolytic therapies.

Immune cells live intensely physical lifestyles characterized by structural plasticity, mechanosensitivity, and force exertion. Whether specific immune functions require stereotyped patterns of mechanical output, however, is largely unknown. To address this question, we used super-resolution traction force microscopy to compare cytotoxic T cell immune synapses with contacts formed by other T cell subsets and macrophages. T cell synapses were globally and locally protrusive, which was fundamentally different from the coupled pinching and pulling of macrophage phagocytosis. By spectrally decomposing the force exertion patterns of each cell type, we associated cytotoxicity with compressive strength, local protrusiveness, and the induction of complex, asymmetric interfacial topographies. These features were further validated as cytotoxic drivers by genetic disruption of cytoskeletal regulators, direct imaging of synaptic secretory events, and in silico analysis of interfacial distortion. We conclude that T cell-mediated killing and, by implication, other effector responses are supported by specialized patterns of efferent force.

ABSTRACT Cytotoxic T lymphocytes (CTLs) use immune synapses to destroy infected or transformed target cells. Although the mechanisms governing synapse assembly have been studied extensively, little is known about how this interface dissociates, which is a critical step that both frees the CTL to search for additional prey and enables the phagocytosis of target corpses. Here, we applied time-lapse imaging to explore the basis for synapse dissolution and found that it occurred concomitantly with the cytoskeletal contraction of apoptotic targets. Genetic and pharmacological disruption of apoptotic contraction indicated that it was necessary for CTL dissociation. Furthermore, acute stimulation of contractile forces triggered the release of live targets, demonstrating that contraction is sufficient to drive the response. Finally, mechanically amplifying apoptotic contractility promoted faster CTL detachment and serial killing. Collectively, these results establish a biophysical basis for synapse dissolution and highlight the importance of mechanosensory feedback in the regulation of cell-cell interactions.

Professional phagocytes like neutrophils and macrophages tightly control what they eat, how much they eat, and when they move after eating. We show that plasma membrane abundance is a key arbiter of these cellular behaviors. Neutrophils and macrophages lacking the G-protein subunit G beta 4 exhibit profound plasma membrane expansion due to enhanced production of sphingolipids. This increased membrane allocation dramatically enhances phagocytosis of bacteria, fungus, apoptotic corpses, and cancer cells. G beta 4 deficient neutrophils are also defective in the normal inhibition of migration following cargo uptake. In G beta 4 knockout mice, myeloid cells exhibit enhanced phagocytosis of inhaled fungal conidia in the lung but also increased trafficking of engulfed pathogens to other organs. These results reveal an unexpected, biophysical control mechanism lying at the heart of myeloid functional decision-making.

ABSTRACT Chronic hepatitis B (CHB), caused by hepatitis B virus (HBV), remains a major medical problem. HBV has a high propensity for progressing to chronicity and can result in severe liver disease, including fibrosis, cirrhosis and hepatocellular carcinoma. CHB patients frequently present with viral coinfection, including HIV and hepatitis delta virus. About 10% of chronic HIV carriers are also persistently infected with HBV which can result in more exacerbated liver disease. Mechanistic studies of HBV-induced immune responses and pathogenesis, which could be significantly influenced by HIV infection, have been hampered by the scarcity of immunocompetent animal models. Here, we demonstrate that humanized mice dually engrafted with components of a human immune system and a human liver supported HBV infection, which was partially controlled by human immune cells, as evidenced by lower levels of serum viremia and HBV replication intermediates in the liver. HBV infection resulted in priming and expansion of human HLA-restricted CD8+ T cells, which acquired an activated phenotype. Notably, our dually humanized mice support persistent coinfections with HBV and HIV which opens opportunities for analyzing immune dysregulation during HBV and HIV coinfection and preclinical testing of novel immunotherapeutics.

Mortality rate increases with age and can accelerate upon extrinsic or intrinsic damage to individuals. Identifying factors and mechanisms that curb population mortality rate has wide-ranging implications. Here, we show that targeting the VHL-1 (Von Hippel-Lindau) protein suppresses