Legionella pneumophila is an accidental human bacterial pathogen that infects and replicates within alveolar macrophages causing a severe atypical pneumonia known as Legionnaires' disease. As a prototypical vacuolar pathogen L. pneumophila establishes a unique endoplasmic reticulum (ER)-derived organelle within which bacterial replication takes place. Bacteria-derived proteins are deposited in the host cytosol and in the lumen of the pathogen-occupied vacuole via a type IVb (T4bSS) and a type II (T2SS) secretion system respectively. These secretion system effector proteins manipulate multiple host functions to facilitate intracellular survival of the bacteria. Subversion of host membrane glycerophospholipids (GPLs) by the internalized bacteria via distinct mechanisms feature prominently in trafficking and biogenesis of the Legionella -containing vacuole (LCV). Conventional GPLs composed of a glycerol backbone linked to a polar headgroup and esterified with two fatty acids constitute the bulk of membrane lipids in eukaryotic cells. The acyl chain composition of GPLs dictates phase separation of the lipid bilayer and therefore determines the physiochemical properties of biological membranes - such as membrane disorder, fluidity and permeability. In mammalian cells, fatty acids esterified in membrane GPLs are sourced endogenously from de novo synthesis or via internalization from the exogenous pool of lipids present in serum and other interstitial fluids. Here, we exploited the preferential utilization of exogenous fatty acids for GPL synthesis by macrophages to reprogram the acyl chain composition of host membranes and investigated its impact on LCV homeostasis and L. pneumophila intracellular replication. Using saturated fatty acids as well as cis - and trans - isomers of monounsaturated fatty acids we discovered that under conditions promoting lipid packing and membrane rigidification L. pneumophila intracellular replication was significantly reduced. Palmitoleic acid - a C16:1 monounsaturated fatty acid - that promotes membrane disorder when enriched in GPLs significantly increased bacterial replication within human and murine macrophages but not in axenic growth assays. Lipidome analysis of infected macrophages showed that treatment with exogenous palmitoleic acid resulted in membrane acyl chain reprogramming in a manner that promotes membrane disorder and live-cell imaging revealed that the consequences of increasing membrane disorder impinge on several LCV homeostasis parameters. Collectively, we provide experimental evidence that L. pneumophila replication within its intracellular niche is a function of the lipid bilayer disorder and hydrophobic thickness.

Abstract Recent data suggest that 3,4-methylenedioxypyrovalerone (MDPV) has neurotoxic effects; however, the cognitive and neurochemical consequences of MDPV self-administration remain largely unexplored. Furthermore, despite the fact that drug preparations that contain MDPV often also contain caffeine, little is known regarding the toxic effects produced by the co-use of these two stimulants. The current study investigated the degree to which self-administered MDPV, or a mixture of MDPV+caffeine can produce deficits in recognition memory and alter neurochemistry relative to prototypical stimulants. Male Sprague-Dawley rats were provided 90-min or 12-h access to MDPV, MDPV+caffeine, methamphetamine, cocaine, or saline for 6 weeks. Novel object recognition (NOR) memory was evaluated prior to any drug self-administration history and 3 weeks after the final self-administration session. Rats that had 12-h access to methamphetamine and those that had 90-min or 12-h access to MDPV+caffeine exhibited significant deficits in NOR, whereas no significant deficits were observed in rats that self-administered cocaine or MDPV. Striatal mono-amine levels were not systematically affected. These data demonstrate synergism between MDPV and caffeine with regard to producing recognition memory deficits and lethality, highlighting the importance of recapitulating the manner in which drugs are used (e.g., in mixtures containing multiple stimulants, binge-like patterns of intake).

Abstract The accidental human pathogen Legionella pneumophila (Lp) is the etiological agent for a severe atypical pneumonia known as Legionnaires’ disease. In human infections and animal models of disease alveolar macrophages are the primary cellular niche that supports bacterial replication within a unique intracellular membrane-bound organelle. The Dot/Icm apparatus – a type IV secretion system that translocates ∼300 bacterial proteins within the cytosol of the infected cell – is a central virulence factor required for intracellular growth. Mutant strains lacking functional Dot/Icm apparatus are transported to and degraded within the lysosomes of infected macrophages. The early foundational work from Dr. Horwitz’s group unequivocally established that Legionella does not replicate extracellularly during infection – a phenomenon well supported by experimental evidence for four decades. Our data challenges the dogma in the field by demonstrating that macrophages and monocytes provide the necessary nutrients and support robust Legionella extracellular replication. We show that the previously reported lack of Lp extracellular replication is not a bacteria intrinsic feature but rather a result of robust restriction by serum-derived nutritional immunity factors. Specifically, the host iron-sequestering protein Transferrin was identified as a critical suppressor of Lp extracellular replication in an iron-dependent manner. In iron-overload conditions or in the absence of Transferrin, Lp bypasses growth restriction by IFNψ-primed macrophages though extracellular replication. It is well established that certain risk factors associated with development of Legionnaires’ disease, such as smoking, produce a chronic pulmonary environment of iron-overload. Our work indicates that iron-overload could be an important determinant of severe infection by allowing Lp to overcome nutritional immunity and replicate extracellularly, which in turn would circumvent intracellular cell intrinsic host defenses. Thus, we provide evidence for nutritional immunity as a key underappreciated host defense mechanism in Legionella pathogenesis.