Regulation of N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor activity by kinases and phosphatases contributes to the modulation of synaptic transmission. Targeting of these enzymes near the substrate is proposed to enhance phosphorylation-dependent modulation. Yotiao, an NMDA receptor-associated protein, bound the type I protein phosphatase (PP1) and the adenosine 3',5'-monophosphate (cAMP)-dependent protein kinase (PKA) holoenzyme. Anchored PP1 was active, limiting channel activity, whereas PKA activation overcame constitutive PP1 activity and conferred rapid enhancement of NMDA receptor currents. Hence, yotiao is a scaffold protein that physically attaches PP1 and PKA to NMDA receptors to regulate channel activity.

STING is an ER-associated membrane protein that is critical for innate immune sensing of pathogens. STING-mediated activation of the IFN-I pathway through the TBK1/IRF3 signaling axis involves both cyclic-dinucleotide binding and its translocation from the ER to vesicles. However, how these events are coordinated, and the exact mechanism of STING activation, remain poorly understood. Here, we found that the Shigella effector protein IpaJ potently inhibits STING signaling by blocking its translocation from the ER to ERGIC, even in the context of dinucleotide binding. Reconstitution using purified components revealed STING translocation as the rate-limiting event in maximal signal transduction. Furthermore, STING mutations associated with autoimmunity in humans were found to cause constitutive ER exit and to activate STING independent of cGAMP binding. Together, these data provide compelling evidence for an ER retention and ERGIC/Golgi-trafficking mechanism of STING regulation that is subverted by bacterial pathogens and is deregulated in human genetic disease.

Mycobacterium tuberculosis (Mtb), the causative agent of tuberculosis, is one of the most successful human pathogens. One reason for its success is that Mtb can reside within host macrophages, a cell type that normally functions to phagocytose and destroy infectious bacteria. However, Mtb is able to evade macrophage defenses in order to survive for prolonged periods of time. Many intracellular pathogens secret virulence factors targeting host membranes and organelles to remodel their intracellular environmental niche. We hypothesized that Mtb exported proteins that target host membranes are vital for Mtb to adapt to and manipulate the host environment for survival. Thus, we characterized 200 exported proteins from Mtb for their ability to associate with eukaryotic membranes using a unique temperature sensitive yeast screen and to manipulate host trafficking pathways using a modified inducible secretion screen. We identified five Mtb exported proteins that both associated with eukaryotic membranes and altered the host secretory pathway. One of these secreted proteins, Mpt64, localized to the endoplasmic reticulum during Mtb infection of murine and human macrophages and was necessary for Mtb survival in primary human macrophages. These data highlight the importance of exported proteins in Mtb pathogenesis and provide a basis for further investigation into their molecular mechanisms.

Abstract Listeria monocytogenes is a Gram-positive intracellular pathogen and the causative agent of human listeriosis. While the ability of L. monocytogenes to enter and survive in professional phagocytes is critical to establish a successful infection, mechanisms of invasion are poorly understood. Our previous investigation into the role of type I interferon-stimulated genes in bacterial infection revealed that the human immunoglobulin receptor FcγRIa served as a L. monocytogenes invasion factor. FcγRIa-mediated L. monocytogenes entry occurred independently of immunoglobulin interaction or bacterial internalins. However, the bacterial determinants that mediate FcγRIa interaction remain unclear. Using a comparative genomics approach, we identify actin assembly-inducing protein ActA as a pathogen specific ligand of FcγRIa. FcγRIa enhanced entry of pathogenic L. monocytogenes and L. ivanovii strain but not non-pathogenic L. innocua . We found that the major virulence regulator PrfA is required for pathogen entry into FcγRIa-expressing cells and identify its gene target actA as the critical Listeria ligand. ActA alone was sufficient to promote entry into FcγRIa-expressing cells, and this function is independent of its actin nucleating activity. Together, these studies present an unexpected role of ActA beyond its canonical function in actin-based motility and expand our understanding of Listeria strategies for host cell invasion. Importance Listeria monocytogenes is a food-borne bacterial pathogen and a causative agent of listeriosis with up to 50% mortality rate in immunocompromised individuals. While the mechanisms of Listeria entry into non-phagocytic cells have been extensively characterized, the details of phagocytic cell invasion are still poorly understood. We have recently discovered that human immunoglobulin receptor FcγRIa mediates Listeria uptake by monocytic cells. This process occurred independently of canonical immunoglobulin interactions as well as classic Listeria internalization factors. Importantly, molecular determinants of Listeria -FcγRIa interaction leading to bacterial entry, remained unknown. In this study, we demonstrate that Listeria virulence factor actin-assembly inducing protein ActA is required for FcγRIa-mediated entry. Further, ActA was found to be sufficient for the internalization, suggesting its role as a bacterial ligand of FcγRIa. Together, these findings expand our knowledge of mechanisms that Listeria has evolved to exploit cellular signaling pathways and immune defense of the host.

Abstract Immune stimulation fuels cell signaling-transcriptional programs inducing biological responses to eliminate virus-infected cells. Yet, retroviruses that integrate into host cell chromatin, such as HIV-1, co-opt these programs to switch between latent and reactivated states; however, the regulatory mechanisms are still unfolding. Here, we implemented a functional screen leveraging HIV-1’s dependence on CD4 + T cell signaling-transcriptional programs and discovered ADAP1 is an undescribed modulator of HIV-1 proviral fate. Specifically, we report ADAP1 (ArfGAP with dual PH domain-containing protein 1), a previously thought neuronal-restricted factor, is an amplifier of select T cell signaling programs. Using complementary biochemical and cellular assays, we demonstrate ADAP1 inducibly interacts with the immune signalosome to directly stimulate KRAS GTPase activity thereby augmenting T cell signaling through targeted activation of the ERK–AP-1 axis. Single cell transcriptomics analysis revealed loss of ADAP1 function blunts gene programs upon T cell stimulation consequently dampening latent HIV-1 reactivation. Our combined experimental approach defines ADAP1 as an unexpected tuner of T cell programs co-opted by HIV-1 for latency escape.

Abstract Arboviruses are a diverse group of insect-transmitted pathogens that pose global public health challenges. Identifying evolutionarily conserved host factors that combat arbovirus replication in disparate eukaryotic hosts is important as they may tip the balance between productive and abortive viral replication, and thus determine virus host range. Here, we exploit naturally abortive arbovirus infections that we identified in lepidopteran cells and use bacterial effector proteins to uncover host factors restricting arbovirus replication. Bacterial effectors are proteins secreted by pathogenic bacteria into eukaryotic hosts cells that can inhibit antimicrobial defenses. Since bacteria and viruses can encounter common host defenses, we hypothesized that some bacterial effectors may inhibit host factors that restrict arbovirus replication in lepidopteran cells. Thus, we used bacterial effectors as molecular tools to identify host factors that restrict four distinct arboviruses in lepidopteran cells. By screening 210 effectors encoded by seven different bacterial pathogens, we identify six effectors that individually rescue the replication of all four arboviruses. We show that these effectors encode diverse enzymatic activities that are required to break arbovirus restriction. We further characterize Shigella flexneri -encoded IpaH4 as an E3 ubiquitin ligase that directly ubiquitinates two evolutionarily conserved proteins, SHOC2 and PSMC1, promoting their degradation in insect and human cells. We show that depletion of either SHOC2 or PSMC1 in insect or human cells promotes arbovirus replication, indicating that these are ancient virus restriction factors conserved across invertebrate and vertebrate hosts. Collectively, our study reveals a novel pathogen-guided approach to identify conserved antimicrobial machinery, new effector functions, and conserved roles for SHOC2 and PSMC1 in virus restriction. Author Summary Microbial pathogens such as viruses and bacteria encounter diverse host cell responses during infection. While viruses possess antagonists to counter these responses in natural host species, their replication can be restricted in unnatural host cells where their antagonists are ineffective. Bacteria also employ a diverse repertoire of immune evasion proteins known as “effectors” that can inhibit antimicrobial responses found in invertebrate and vertebrate hosts. In this study, we hypothesized that some bacterial effectors may target host immunity proteins that restrict both bacteria and viruses. To test this hypothesis, we screened a bacterial effector library comprising 210 effectors from seven distinct bacterial pathogens for their ability to rescue the replication of four viruses in insect cells that are normally non-permissive to these viruses. Though numerous effectors were identified to rescue the replication of each virus, the uncharacterized IpaH4 protein encoded by the human pathogen Shigella flexneri was able to rescue all four viruses screened. We discovered that IpaH4 enhances arbovirus replication in both restrictive insect and permissive human cells by directly targeting two novel, evolutionarily conserved antiviral host proteins, SHOC2 and PSMC1, for degradation. Our study establishes bacterial effectors as valuable tools for identifying critical antimicrobial machinery employed by eukaryotic hosts.

The FACT complex is an ancient chromatin remodeling factor comprised of Spt16 and SSRP1 subunits that regulates specific eukaryotic gene expression programs. However, whether FACT regulates host immune responses to infection was unclear. Here, we identify an antiviral pathway mediated by FACT, distinct from the interferon response, that restricts poxvirus replication. We show that early viral gene expression triggers nuclear accumulation of specialized, SUMOylated Spt16 subunits of FACT required for expression of ETS-1, a downstream transcription factor that activates a virus restriction program. However, poxvirus-encoded A51R proteins block ETS-1 expression by outcompeting SSRP1 for binding to SUMOylated Spt16 in the cytosol and by tethering SUMOylated Spt16 to microtubules. Moreover, we show that A51R antagonism of FACT enhances both poxvirus replication in human cells and viral virulence in mice. Finally, we demonstrate that FACT also restricts unrelated RNA viruses, suggesting a broad role for FACT in antiviral immunity. Our study reveals the F ACT- E TS-1 A ntiviral R esponse (FEAR) pathway to be critical for eukaryotic antiviral immunity and describes a unique mechanism of viral immune evasion.

Abstract Toxoplasma gondii is an important human pathogen infecting an estimated 1 in 3 people worldwide. The cytokine interferon gamma (IFNγ) is induced during infection and is critical for restricting T. gondii growth in human cells. Growth restriction is presumed to be due to the induction interferon stimulated genes (ISGs) that are upregulated to protect the host from infection. Although there are hundreds of ISGs induced by IFNγ, their individual roles in restricting parasite growth in human cells remain somewhat elusive. To address this deficiency, we screened a library of 414 IFNγ induced ISGs to identify factors that impact T. gondii infection in human cells. In addition to IRF1, which likely acts through induction of numerous downstream genes, we identified RARRES3 as a single factor that restricts T. gondii infection by inducing premature egress of the parasite in multiple human cell lines. Overall, while we successfully identified a novel IFNγ induced factor restricting T. gondii infection, the limited number of ISGs capable of restricting T. gondii infection when individually expressed suggests that IFNγ mediated immunity to T. gondii infection is a complex, multifactorial process.

Abstract Most of the cholesterol in the plasma membranes (PMs) of animal cells is sequestered through interactions with phospholipids and transmembrane domains of proteins. However, as cholesterol concentration rises above the PM’s sequestration capacity, a new pool of cholesterol, called accessible cholesterol, emerges. The transport of accessible cholesterol between the PM and the endoplasmic reticulum (ER) is critical to maintain cholesterol homeostasis. This pathway has also been implicated in the suppression of both bacterial and viral pathogens by immunomodulatory oxysterols. Here, we describe a mechanism of depletion of accessible cholesterol from PMs by the oxysterol 25-hydroxycholesterol (25HC). We show that 25HC-mediated activation of acyl coenzyme A: cholesterol acyltransferase (ACAT) in the ER creates an imbalance in the equilibrium distribution of accessible cholesterol between the ER and PM. This imbalance triggers the rapid internalization of accessible cholesterol from the PM, which is sustained for long periods of time through 25HC-mediated suppression of SREBPs. In support of a physiological role for this mechanism, 25HC failed to suppress Zika virus and human coronavirus infection in ACAT-deficient cells, and Listeria monocytogenes infection in ACAT-deficient cells and mice. We propose that selective depletion of accessible PM cholesterol triggered by ACAT activation and sustained through SREBP suppression underpins the immunological activities of 25HC and a functionally related class of oxysterols.

Cell-cell fusion is an indispensable process in the conception, development and physiology of multicellular organisms. Here we demonstrate a direct and noncanonical role for dynamin, best known as a fission GTPase in endocytosis, in cell-cell fusion. Our genetic and cell biological analyses show that dynamin colocalizes within the F-actin-enriched podosome-like structures at the fusogenic synapse, which is required for generating invasive membrane protrusions and myoblast fusion in vivo, in an endocytosis-independent manner. Biochemical, negative stain EM and cryo-electron tomography (cryo-ET) analyses revealed that dynamin forms helices that directly bundles actin filaments by capturing multiple actin filaments at their outer rim via interactions with the proline-rich domain of dynamin. GTP hydrolysis by dynamin triggers disassembly of the dynamin helix, exposes the sides of the actin filaments, promotes dynamic Arp2/3-mediated branched actin polymerization, and generates a mechanically stiff actin network. Thus, dynamin functions as a unique actin-bundling protein that enhances mechanical force generation by the F-actin network in a GTPase-dependent manner. Our findings have universal implications for understanding dynamin-actin interactions in various cellular processes beyond cell-cell fusion.