Abstract Toxoplasma gondii is a protozoan parasite that infects a broad spectrum of hosts and can colonize many organs and cell types. The ability to reside within a wide range of different niches requires substantial adaptability to diverse microenvironments. Very little is known about how this parasite senses various milieus and adapts its metabolism to survive, replicate during the acute stage, and then differentiate to the chronic stage. Most eukaryotes, from yeast to mammals, rely on a nutrient sensing machinery involving the TORC complex as master regulator of cell growth and cell cycle progression. The lysosome functions as a signaling hub where TORC complex assembles and is activated by transceptors, which both sense and transport amino acids, including the arginine transceptor SLC38A9. While most of the TORC components are lost in T. gondii , indicating the evolution of a distinct nutrient sensing mechanism, the parasite’s lysosomal plant-like vacuolar compartment (PLVAC) may still serve as a sensory platform for controlling parasite growth and differentiation. Using SLC38A9 to query the T. gondii proteome, we identified four putative amino acid transporters, termed TgAAT1-4, that structurally resemble the SLC38A9 arginine transceptor. Assessing their expression and sub-cellular localization, we found that one of them, TgAAT1, localized to the PLVAC and is necessary for normal parasite extracellular survival and bradyzoite differentiation. Moreover, we show that TgAAT1 is involved in the PLVAC efflux of arginine, an amino acid playing a key role in T. gondii differentiation, further supporting the hypothesis that TgAAT1 might play a role in nutrient sensing. IMPORTANCE T. gondii is a highly successful parasite infecting a broad range of warm-blood organisms including about one third of all humans. Although Toxoplasma infections rarely result in symptomatic disease in individuals with a healthy immune system, the incredibly high number of persons infected along with the risk of severe infection in immunocompromised patients and the potential link of chronic infection to mental disorders make this infection a significant public health concern. As a result, there is a pressing need for new treatment approaches that are both effective and well-tolerated. The limitations in understanding how Toxoplasma gondii manages its metabolism to adapt to changing environments and triggers its transformation into bradyzoites have hindered the discovery of vulnerabilities in its metabolic pathways or nutrient acquisition mechanisms to identify new therapeutic targets. In this work, we have shown that the lysosome-like organelle PLVAC, acting through the putative arginine transporter TgAAT1, plays a pivotal role in regulating the parasite’s extracellular survival and differentiation into bradyzoites.

The parasite Toxoplasma gondii persists in its hosts by converting from replicating tachyzoites to latent bradyzoites housed in tissue cysts. The molecular mechanisms that mediate T. gondii differentiation remain poorly understood. Through a mutagenesis screen, we identified translation initiation factor eIF1.2 as a critical factor for T. gondii differentiation. A F97L mutation in eIF1.2 or the genetic ablation of eIF1.2 (Δ eIF1.2 ) markedly impeded bradyzoite cyst formation in vitro and in vivo . We demonstrated, at single-molecule level, that the eIF1.2 F97L mutation impacts the scanning process of the ribosome preinitiation complex on a model mRNA. RNA sequencing and ribosome profiling experiments unveiled that Δ eIF1.2 parasites are defective in the upregulating bradyzoite induction factors BFD1 and BFD2 during stress-induced differentiation. Forced expression of BFD1 or BFD2 significantly restored differentiation in Δ eIF1.2 parasites. Together, our findings suggest that eIF1.2 functions by regulating the translation of key differentiation factors necessary to establish chronic toxoplasmosis.

ABSTRACT Many of the world’s warm-blooded species are chronically infected with Toxoplasma gondii tissue cysts, including up to an estimated one third of the global human population. The cellular processes that permit long-term parasite persistence within the cyst are largely unknown, not only for T. gondii but also for related coccidian parasites that impact human and animal health. A previous study revealed an accumulation of autophagic material in the lysosome-like Vacuolar Compartment (VAC) of chronic stage bradyzoites lacking functional cathepsin L protease (TgCPL) activity. Furthermore, it was shown that TgCPL knockout bradyzoites have compromised viability, indicating the turnover of autophagic material could be necessary for bradyzoite survival. However, the extent to which autophagy itself contributes to bradyzoite development and fitness remained unknown. Herein we show that genetic ablation of TgATG9 substantially reduces canonical autophagy and compromises bradyzoite viability. Transmission electron microscopy revealed structural abnormalities occurring in Δ atg9 bradyzoites, including disorganization of the inner membrane complex and plasma membrane, the occurrence of multiple nuclei within a single bradyzoite cell, as well as various anomalies associated with the VAC. TgATG9-deficient bradyzoites accumulated significantly less undigested material in the VAC upon inhibition of TgCPL activity, suggesting that autophagy contributes material to the VAC for degradation. Intriguingly, abnormal mitochondria networks were observed in TgATG9-deficient bradyzoites. They were thin and elongated and often adopted a horseshoe conformation. Some abnormal mitochondrial structures were found to contain numerous different cytoplasmic components and organelles. Bradyzoite fitness was found to be drastically compromised, both in vitro and in mice, with very few brain cysts identified in mice 5 weeks post-infection. Taken together, our data suggests that TgATG9, and by extension autophagy, is critical for cellular homeostasis in bradyzoites and is necessary for long-term persistence within the cyst of this coccidian parasite.

ABSTRACT Toxoplasma gondii is a protozoan parasite that persists in the central nervous system as intracellular chronic stage bradyzoites that are encapsulated by a thick cyst wall. While the cyst wall separates bradyzoites from the host cytosol, it has been posited that small solutes can traverse the cyst wall to sustain bradyzoites. Recently it was found that host cytosolic macromolecules can cross the parasitophorous vacuole and are ingested and digested by actively replicating acute stage tachyzoites. However, the extent to which bradyzoites have an active ingestion pathway remained unknown. To interrogate this, we modified previously published protocols that look at tachyzoite acquisition and digestion of host proteins by measuring parasite accumulation of a host-expressed reporter protein after impairment of an endolysosomal protease (Cathepsin Protease L, CPL). Using two cystogenic parasite strains (ME49 and Pru), we demonstrate that T. gondii bradyzoites can ingest host-derived cytosolic mCherry. Bradyzoites acquire host mCherry within 4 hours of invasion and post-cyst wall formation. This study provides direct evidence that host macromolecules can be internalized by T. gondii bradyzoites across the cyst wall in infected cells.

Abstract Activation of the endoplasmic reticulum stress sensor, IRE1α, is required for effective immune responses against bacterial infection and is associated with human inflammatory diseases where neutrophils are a key immune component. However, the specific role of IRE1α in regulating neutrophil effector function has not been studied. Here we show that infection-induced IRE1α activation licenses neutrophil antimicrobial capacity, including IL-1β production, NET formation, and MRSA killing. Inhibition of IRE1α diminished production of mitochondrial reactive oxygen species (mROS) and decreased CASPASE-2 activation, which both contributed to neutrophil antimicrobial activity. Mice deficient in Caspase-2 were highly susceptible to MRSA infection and failed to form NETs in a subcutaneous abscess. IRE1α activation enhanced calcium influx and citrullination of histone H3 (Cit-H3) independently of mROS production, suggesting that IRE1α coordinates multiple pathways required for NET formation. Our data demonstrate that the IRE1α-Caspase-2 axis is a major driver of neutrophil activity against MRSA infection and highlight the importance of IRE1α in neutrophil antibacterial function. One Sentence Summary IRE1α controls neutrophil antimicrobial defenses

Fine-tuned inflammation during infection enables pathogen clearance while minimizing host damage. Inflammation regulation depends on macrophage metabolic plasticity, yet coordination of metabolic and inflammatory programs is underappreciated. Here we show that type I interferon (IFN) temporally guides metabolic control of inflammation during methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) infection. In macrophages, staggered Toll-like receptor and type I IFN signaling permitted a transient respiratory burst followed by inducible nitric oxide synthase (iNOS)-mediated OXPHOS disruption. OXPHOS disruption promoted type I IFN, suppressing other pro-inflammatory cytokines, notably IL-1β. iNOS expression peaked at 24h post-infection, followed by lactate-driven iNOS repression via histone lactylation. In contrast, type I IFN pre- conditioning sustained infection-induced iNOS expression and amplified type I IFN. Cutaneous MRSA infection in mice constitutively expressing epidermal type I IFN led to elevated iNOS levels, impaired wound healing, vasculopathy, and lung infection. Thus, kinetically regulated type I IFN signaling coordinates immunometabolic checkpoints that control infection-induced inflammation.

In an era where the established lines between cell identities are blurred by intra-lineage plasticity, distinguishing between stable and transitional states becomes imperative. This challenge is particularly pronounced within the Group 1 ILC lineage, where the similarity and plasticity between NK cells and ILC1s obscure their classification and the assignment of their unique contributions to immune regulation. This study exploits the unique property of Asialo-GM1 (AsGM1)-a membrane lipid associated with cytotoxic attributes absent in ILC1s-as a definitive criterion to distinguish between these cells. By prioritizing cytotoxic potential as the cardinal differentiator, our strategic use of the AsGM1 signature achieved precise delineation of NK cells and ILC1s across tissues, validated by RNA-seq analysis. This capability extends beyond steady-state classifications, adeptly capturing the binary classification of NK cells and ILC1s during acute liver injury. By leveraging two established models of NK-to-ILC1 plasticity driven by TGFβ and

Toxoplasmosis is a potentially fatal infection for immunocompromised people and the developing fetus. Current medicines for toxoplasmosis have high rates of adverse effects that interfere with therapeutic and prophylactic regimens. Endochin-like quinolones (ELQs) are potent inhibitors of Toxoplasma gondii proliferation in vitro and in animal models of acute and latent infection. ELQ-316, in particular, was found to be effective orally against acute toxoplasmosis in mice and highly selective for the T. gondii cytochrome b over the human cytochrome b . Despite oral efficacy, the high crystallinity of ELQ-316 limits oral absorption, plasma concentrations and therapeutic potential. A carbonate ester prodrug of ELQ-316, ELQ-334, was created to decrease crystallinity and increase oral bioavailability, which resulted in a six-fold increase in both C max (maximum plasma concentration) and AUC (area under the curve) of ELQ-316. The increased bioavailability of ELQ-316, when administered as ELQ-334, resulted in greater efficacy than the equivalent dose of ELQ-316 against acute toxoplasmosis and had similar efficacy against latent toxoplasmosis compared to intraperitoneal administration of ELQ-316. Carbonate ester prodrugs are a successful strategy to overcome the limited oral bioavailability of ELQs for the treatment of toxoplasmosis.

Infection by intracellular pathogens can trigger activation of the IRE1α branch of the unfolded protein response (UPR), which then modulates innate immunity and infection outcomes during bacterial or viral infection. However, the mechanisms by which infection activates IRE1α have not been fully elucidated. While recognition of microbe-associated molecular patterns can activate IRE1α, it is unclear whether this depends on the canonical role of IRE1α in detecting misfolded proteins. Here, we report that Candida albicans infection of macrophages results in IRE1α activation through C-type lectin receptor signaling, reinforcing a role for IRE1α as a central regulator of host responses to infection by a broad range of pathogens. However, IRE1α activation was not preceded by protein misfolding in response to either C. albicans infection or lipopolysaccharide treatment, implicating a non-canonical mode of IRE1α activation after recognition of microbial patterns. Investigation of the phenotypic consequences of IRE1α activation in macrophage antimicrobial responses revealed that IRE1α activity enhances the fungicidal activity of macrophages. Macrophages lacking IRE1α activity displayed inefficient phagolysosomal fusion, enabling C. albicans to evade fungal killing and escape the phagosome. Together, these data provide mechanistic insight for the non-canonical activation of IRE1α during infection, and reveal central roles for IRE1α in macrophage antifungal responses.

Pathogenic bacteria taken up into the macrophage phagosome are the target of many anti-microbial effector molecules. Although mitochondria-derived antimicrobial effectors such as reactive oxygen species (mROS) are reported to aid in bacterial killing, it is unclear how these effectors reach bacteria within the phagosomal lumen. To examine the crosstalk between mitochondria and phagosomes, we monitored the production and the spatial localization of mROS during methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) infection. We showed here mROS, specifically hydrogen peroxide (mH2O2) can be delivered into phagosomes via infection-induced mitochondria-derived vesicles, which are generated in a Parkin-dependent manner. Accumulation of mH2O2 in phagosomes required TLR signaling and the mitochondrial superoxide dismutase, Sod2, which converts superoxide into mH2O2. These data highlight a novel mechanism by which the mitochondrial redox capacity enhances macrophage antimicrobial function by delivering mitochondria-derived effector molecules into bacteria containing phagosomes.