ABSTRACT Neisseria gonorrhoeae (the gonococcus, Gc) is the causative agent of the sexually transmitted infection gonorrhea. Gc is a prominent threat to human health by causing severe and lifelong clinical sequelae, including infertility and chronic pelvic pain, which is amplified by the emergence of “superbug” strains that are resistant to all current antibiotics. Gc is highly adapted to colonize human mucosal surfaces, where it survives despite initiating a robust inflammatory response and influx of polymorphonuclear leukocytes (PMNs or neutrophils) that typically clear bacteria. Here, dual-species RNA-sequencing (RNA-seq) was used to define Gc and PMN transcriptional profiles alone and after infection. Three strains of Gc and three human donors’ transcriptional responses were assessed to characterize core host and bacterial responses. Comparative analysis of Gc transcripts revealed major overlap between the Gc response to PMNs, iron, and hydrogen peroxide; specifically, the TonB system and TonB dependent transporters (TDT) were upregulated in response to PMNs. We experimentally confirmed that induction of the iron-dependent TDT TbpB is responsive to the presence of PMNs and that tonB is required for Gc survival from PMNs. Pathway analysis of PMN transcripts induced by Gc infection revealed differential expression of genes driving pathways involved in cell adhesion and migration, inflammatory responses, and inflammation resolution. Production of pro-inflammatory cytokines, including IL1B and IL8, the adhesion factor ICAM1, and the anti-inflammatory prostaglandin PGE2 was confirmed to be induced in PMNs in response to Gc. Together, this study represents a comprehensive and experimentally validated dual-species transcriptomic analysis of three isolates of Gc and primary human PMNs that gives insight into how this bacterium survives innate immune onslaught to cause disease in humans.

Abstract The bacterial pathogen Neisseria gonorrhoeae is an urgent global health problem due to increasing numbers of infections, coupled with rampant antibiotic resistance. Vaccines against gonorrhea are being prioritized to combat drug-resistant N. gonorrhoeae. Meningococcal serogroup B vaccines such as 4CMenB are predicted by epidemiology studies to cross-protect individuals from natural infection with N. gonorrhoeae and elicit antibodies that cross-react with N. gonorrhoeae. Evaluation of vaccine candidates for gonorrhea requires a suite of assays for predicting efficacy in vitro and in animal models of infection, including the role of antibodies elicited by immunization. Here we present assays to evaluate antibody functionality after immunization: antibody binding to intact N. gonorrhoeae, serum bactericidal activity, and opsonophagocytic killing activity using primary human neutrophils (polymorphonuclear leukocytes). These assays were developed with purified antibodies against N. gonorrhoeae and used to evaluate serum from mice that were vaccinated with 4CMenB or given alum as a negative control. Results from these assays will help prioritize gonorrhea vaccine candidates for advanced preclinical to early clinical study and will contribute to identifying correlates and mechanisms of immune protection against N. gonorrhoeae .

Abstract The ability of bacterial pathogens to metabolically adapt to the environmental conditions of their hosts is critical to both colonization and invasive disease. Infection with Neisseria gonorrhoeae (the gonococcus, Gc) is characterized by the influx of neutrophils (PMNs), which fail to clear the bacteria and make antimicrobial products that can exacerbate tissue damage. The inability of the human host to clear Gc infection is particularly concerning in light of the emergence of strains that are resistant to all clinically recommended antibiotics. Bacterial metabolism represents a promising target for the development of new therapeutics against Gc. Here, we generated a curated genome-scale metabolic network reconstruction (GENRE) of Gc strain FA1090. This GENRE links genetic information to metabolic phenotypes and predicts Gc biomass synthesis and energy consumption. We validated this model with published data and in new results reported here. Contextualization of this model using the transcriptional profile of Gc exposed to PMNs revealed substantial rearrangements of Gc central metabolism and induction of Gc nutrient acquisition strategies for alternate carbon source use. These features enhanced the growth of Gc in the presence of neutrophils. From these results we conclude that the metabolic interplay between Gc and PMNs helps define infection outcomes. The use of transcriptional profiling and metabolic modeling to reveal new mechanisms by which Gc persists in the presence of PMNs uncovers unique aspects of metabolism in this fastidious bacterium, which could be targeted to block infection and thereby reduce the burden of gonorrhea in the human population. Importance The World Health Organization (WHO) designated Neisseria gonorrhoeae (Gc) as a high priority pathogen for research and development of new antimicrobials. Bacterial metabolism is a promising target for new antimicrobials, as metabolic enzymes are widely conserved among bacterial strains and are critical for nutrient acquisition and survival within the human host. Here we used genome-scale metabolic modeling to characterize the core metabolic pathways of this fastidious bacterium, and to uncover the pathways used by Gc during culture with primary human immune cells. These analyses revealed that Gc relies on different metabolic pathways during co-culture with human neutrophils than in rich media. Conditionally essential genes emerging from these analyses were validated experimentally. These results show that metabolic adaptation in the context of innate immunity is important to Gc pathogenesis. Identifying the metabolic pathways used by Gc during infection can highlight new therapeutic targets for drug-resistant gonorrhea.

Gonorrhea, caused by the bacterium Neisseria gonorrhoeae (Gc), is characterized by neutrophil influx to infection sites. Gc has developed mechanisms to resist killing by neutrophils that include modifications to its surface lipooligosaccharide (LOS). One such LOS modification is sialylation: Gc sialylates its terminal LOS sugars with cytidine-5'-monophosphate- N -acetylneuraminic acid (CMP-NANA) scavenged from the host using LOS sialyltransferase (Lst), since Gc cannot make its own sialic acid. Sialylation enables sensitive strains of Gc to resist complement-mediated killing in a serum-dependent manner. However, little is known about the contribution of sialylation to complement-independent, direct Gc-neutrophil interactions. In the absence of complement, we found sialylated Gc expressing opacity-associated (Opa) proteins decreased the oxidative burst and granule exocytosis from primary human neutrophils. In addition, sialylated Opa+ Gc survived better than vehicle treated or Δlst Gc when challenged with neutrophils. However, Gc sialylation did not significantly affect Opa-dependent association with or internalization of Gc by neutrophils. Previous studies have implicated sialic acid-binding immunoglobulin-type lectins (Siglecs) in modulating neutrophil interactions with sialylated Gc. Blocking neutrophil Siglecs with antibodies that bind to their extracellular domains eliminated the ability of sialylated Opa+ Gc to suppress oxidative burst and resist neutrophil killing. These findings highlight a new role for sialylation in Gc evasion of human innate immunity, with implications for the development of vaccines and therapeutics for gonorrhea.

ABSTRACT Complement receptor 3 (CR3; CD11b/CD18; α m β 2 integrin) is a conserved phagocytic receptor. The active conformation of CR3 binds the iC3b fragment of complement C3 as well as many host and microbial ligands, leading to actin-dependent phagocytosis. There are conflicting reports about how CR3 engagement affects the fate of phagocytosed substrates. Using imaging flow cytometry, we confirmed that binding and internalization of iC3b-opsonized polystyrene beads by primary human neutrophils was CR3-dependent. iC3b-opsonized beads did not stimulate neutrophil reactive oxygen species (ROS), and most beads were found in primary granule-negative phagosomes. Similarly, Neisseria gonorrhoeae (Ngo) that does not express phase-variable Opa proteins suppresses neutrophil ROS and delays phagolysosome formation. Here, binding and internalization of Opa-deleted (Δopa) Ngo by adherent human neutrophils was inhibited using blocking antibodies against CR3 and by adding neutrophil inhibitory factor, which targets the CD11b I-domain. Neutrophils did not produce detectable amounts of C3 to opsonize Ngo. Conversely, overexpressing CD11b in HL-60 promyelocytes enhanced Δopa Ngo phagocytosis, which required CD11b I domain. Phagocytosis of Ngo was also inhibited in mouse neutrophils that were CD11b-deficient or treated with anti-CD11b. Phorbol ester treatment upregulated surface CR3 on neutrophils in suspension, enabling CR3-dependent phagocytosis of Δopa Ngo. Neutrophils exposed to Δopa Ngo had limited phosphorylation of Erk1/2, p38, and JNK. Neutrophil phagocytosis of unopsonized Mycobacterium smegmatis , which also resides in immature phagosomes, was CR3-dependent and did not elicit ROS. We suggest that CR3-mediated phagocytosis is a silent mode of entry into neutrophils, which is appropriated by diverse pathogens to subvert phagocytic killing.

Abstract Neisseria gonorrhoeae (Gc) is a human-specific pathogen that causes the sexually transmitted infection gonorrhea. Gc survives in neutrophil-rich gonorrheal secretions, and recovered bacteria predominantly express phase-variable, surface-expressed opacity-associated (Opa) proteins (Opa+). However, expression of Opa proteins like OpaD decreases Gc survival when exposed to human neutrophils ex vivo . Here, we made the unexpected observation that incubation with normal human serum, which is found in inflamed mucosal secretions, enhances survival of Opa+ Gc from primary human neutrophils. We directly linked this phenomenon to a novel complement-independent function for C4b-binding protein (C4BP). When bound to the bacteria, C4BP was necessary and sufficient to suppress Gc-induced neutrophil reactive oxygen species production and prevent neutrophil phagocytosis of Opa+ Gc. This research identifies for the first time a complement-independent role for C4BP in enhancing the survival of a pathogenic bacterium from phagocytes, thereby revealing how Gc exploits inflammatory conditions to persist at human mucosal surfaces. Author Summary Gonorrhea is considered an urgent threat to public health with an estimated 98 million cases occurring annually worldwide, growing antimicrobial resistance, and the absence of a gonococcal vaccine. Currently, we do not understand how N. gonorrhoeae expressing opacity (Opa) proteins survive neutrophil defenses and are recovered viable from infected patients. Here, we investigated how soluble elements of gonorrhea infection, present in human serum, contribute to N. gonorrhoeae survival from neutrophils. We found that the serum component C4b-binding protein (C4BP) protects N. gonorrhoeae from neutrophil killing and suppresses neutrophil activation. C4BP limited neutrophil phagocytosis of N. gonorrhoeae that expressed Opa proteins that bound to neutrophil receptors of the CEACAM family. This work provides novel insight into the interplay between the noncellular and cellular aspects of the innate immune response to N. gonorrhoeae .