Caspase-8 is a player in pyroptosis The activation of certain pattern-recognition receptors by pathogen-associated molecular patterns results in the formation of inflammasome complexes. Inflammasome complexes can initiate both the maturation of inflammatory cytokines and pyroptotic cell death via the caspase-mediated cleavage of gasdermin D (GSDMD). As of now, the only known regulators of GSDMD in macrophages are caspase-1 and caspase-11. Orning et al. report an additional pathway controlling GSDMD processing. YopJ, an effector molecule produced by Yersinia (the causative agent of plague), inhibits TAK1–IκB kinase signaling. This, in turn, results in caspase-8–directed cleavage of GSDMD, pyroptosis, and the release of interleukin 1β (IL-1β) and IL-18. Thus, in the arms race between host and pathogen, the host recognizes signaling disturbances as pathogenic and counters with inflammation and cell death. Science , this issue p. 1064

Yersinia pestis, the causative agent of plague, is able to suppress production of inflammatory cytokines IL-18 and IL-1β, which are generated through caspase-1-activating nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat (NLR)-containing inflammasomes. Here, we sought to elucidate the role of NLRs and IL-18 during plague. Lack of IL-18 signaling led to increased susceptibility to Y. pestis, producing tetra-acylated lipid A, and an attenuated strain producing a Y. pseudotuberculosis-like hexa-acylated lipid A. We found that the NLRP12 inflammasome was an important regulator controlling IL-18 and IL-1β production after Y. pestis infection, and NLRP12-deficient mice were more susceptible to bacterial challenge. NLRP12 also directed interferon-γ production via induction of IL-18, but had minimal effect on signaling to the transcription factor NF-κB. These studies reveal a role for NLRP12 in host resistance against pathogens. Minimizing NLRP12 inflammasome activation may have been a central factor in evolution of the high virulence of Y. pestis.

Significance Receptor-interacting protein-1 (RIP1) kinase and caspase-8 are important players in activation of apoptotic pathways. Here we show that RIP1, caspase-8, and RIP3 contribute to infection-induced macrophage cell death and also are required for activation of transcription factor NF-κB and caspase-1 upon infection with the bacterial pathogen Yersinia pestis , the causative agent of plague. Mice lacking caspase-8 and RIP3 are also very susceptible to bacterial infection. This suggests that RIP1, caspase-8, and RIP3 are key molecules with multiple roles in innate immunity during bacterial challenge.

Abstract The outcome of an encounter with Mycobacterium tuberculosis depends on the pathogen’s ability to adapt to the variable immune pressures exerted by the host. Understanding this interplay has proven difficult, largely because experimentally tractable animal models do not recapitulate the heterogeneity of tuberculosis disease. We leveraged the genetically diverse Collaborative Cross (CC) mouse panel in conjunction with a library of Mtb mutants to associate bacterial genetic requirements with host genetics and immunity. We report that CC strains vary dramatically in their susceptibility to infection and produce qualitatively distinct immune states. Global analysis of Mtb mutant fitness across the CC panel revealed that many virulence pathways are only in specific host microenvironments, identifying the large fraction of the pathogen’s genome that has been maintained to ensure fitness in a diverse population. Both immunological and bacterial traits were associated with genetic variants distributed across the mouse genome, identifying the specific host-pathogen genetic interactions that influence pathogenesis.

Abstract Current chemotherapy against Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ), an important human pathogen, requires a multidrug regimen lasting several months. While efforts have been made to optimize therapy by exploiting drug-drug synergies, testing new drug combinations in relevant host environments remains arduous. In particular, host environments profoundly affect the bacterial metabolic state and drug efficacy, limiting the accuracy of predictions based on in vitro assays alone. In this study, we utilize conditional Mtb knockdown mutants of essential genes as an experimentally-tractable surrogate for drug treatment, and probe the relationship between Mtb carbon metabolism and chemical-genetic interactions (CGI). We examined the anti-tubercular drugs isoniazid, rifampicin and moxifloxacin, and found that CGI are differentially responsive to the metabolic state, defining both environment-independent and –dependent interactions. Specifically, growth on the in vivo -relevant carbon source, cholesterol, reduced rifampicin efficacy by altering mycobacterial cell surface lipid composition. We report that a variety of perturbations in cell wall synthesis pathways restore rifampicin efficacy during growth on cholesterol, and that both environment-independent and cholesterol-dependent in vitro CGI could be leveraged to enhance bacterial clearance in the mouse infection model. Our findings present an atlas of novel chemical-genetic-environmental interactions that can be used to optimize drug-drug interactions as well as provide a framework for understanding in vitro correlates of in vivo efficacy. Significance Efforts to improve tuberculosis therapy include optimizing multi-drug regimens to take advantage of drug-drug synergies. However, the complex host environment has a profound effect on bacterial metabolic state and drug activity, making predictions of optimal drug combinations difficult. In this study, we leverage a newly developed library of conditional knockdown Mycobacterium tuberculosis mutants in which genetic depletion of essential genes mimics the effect of drug therapy. This tractable system allowed us to assess the effect of growth condition on predicted drug-drug interactions. We found that these interactions can be differentially sensitive to the metabolic state and select in vitro -defined interactions can be leveraged to accelerate bacterial killing during infection. These findings suggest new strategies for optimizing tuberculosis therapy.

The outcome of Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection and the immunological response to the Bacille Calmette Guerin (BCG) vaccine are highly variable in humans. Deciphering the relative importance of host genetics, environment, and vaccine preparation on BCG efficacy has proven difficult in natural populations. We developed a model system that captures the breadth of immunological responses observed in outbred individuals, which can be used to understand the contribution of host genetics to vaccine efficacy. This system employs a panel of highly-diverse inbred mouse strains, consisting of the founders and recombinant progeny of the Collaborative Cross. Unlike natural populations, the structure of this panel allows the serial evaluation of genetically-identical individuals and quantification of genotype-specific effects of interventions such as vaccination. When analyzed in the aggregate, our panel resembled natural populations in several important respects; the animals displayed a broad range of Mtb susceptibility, varied in their immunological response to infection, and were not durably protected by BCG vaccination. However, when analyzed at the genotype level, we found that these phenotypic differences were heritable. Mtb susceptibility varied between lines, from extreme sensitivity to progressive Mtb clearance. Similarly, only a minority of the genotypes was protected by vaccination. BCG efficacy was genetically separable from susceptibility, and the lack of efficacy in the aggregate analysis was driven by nonresponsive lines that mounted a qualitatively distinct response to infection. These observations support an important role for host genetic diversity in determining BCG efficacy, and provide a new resource to rationally develop more broadly efficacious vaccines.

Successful tuberculosis therapy requires treatment with an unwieldy multidrug combination for several months. Thus, there is a growing need to identify novel genetic vulnerabilities that can be leveraged to develop new, more effective antitubercular drugs. Consequently, recent efforts to optimize TB therapy have exploited Mtb chemical genetics to identify pathways influencing antibiotic efficacy, novel mechanisms of antibiotic action, and new targets for TB drug discovery. However, the influence of the complex host environment on these interactions remains largely unknown, leaving the therapeutic potential of the identified targets unclear. In this study, we leveraged a library of conditional mutants targeting 467 essential Mtb genes to characterize the chemical-genetic interactions (CGIs) with TB drugs directly in the mouse infection model. We found that these

Virulence of Yersinia pestis in mammals requires the type III secretion system, which delivers seven effector proteins into the cytoplasm of host cells to undermine immune responses. All seven of these effectors are conserved across Y. pestis strains, but three -- YopJ, YopT, and YpkA -- are apparently dispensable for virulence. Some degree of functional redundancy between effector proteins would explain both observations. Here, we use a combinatorial genetic approach to define the minimal subset of effectors required for full virulence in mice following subcutaneous infection. We found that a Y. pestis strain lacking YopJ, YopT, and YpkA is attenuated for virulence in mice, and that addition of any one of these effectors to this strain increases lethality significantly. YopJ, YopT, and YpkA likely contribute to virulence via distinct mechanisms. YopJ is uniquely able to cause macrophage cell death in vitro and to suppress accumulation of inflammatory cells to foci of bacterial growth in deep tissue, whereas YopT and YpkA cannot. The synthetic phenotypes that emerge when YopJ, YopT, and YpkA are removed in combination provide evidence that each enhances Y. pestis virulence, and that YopT and YpkA act through a mechanism distinct from that of YopJ.

The MiniMUGA genotyping array is a popular tool for genetic QC of laboratory mice and genotyping of samples from most types of experimental crosses involving laboratory strains, particularly for reduced complexity crosses. The content of the production version of the MiniMUGA array is fixed; however, there is the opportunity to improve array's performance and the associated report's usefulness by leveraging thousands of samples genotyped since the initial description of MiniMUGA in 2020. Here we report our efforts to update and improve marker annotation, increase the number and the reliability of the consensus genotypes for inbred strains and increase the number of constructs that can reliably be detected with MiniMUGA. In addition, we have implemented key changes in the informatics pipeline to identify and quantify the contribution of specific genetic backgrounds to the makeup of a given sample, remove arbitrary thresholds, include the Y Chromosome and mitochondrial genome in the ideogram, and improve robust detection of the presence of commercially available substrains based on diagnostic alleles. Finally, we have made changes to the layout of the report, to simplify the interpretation and completeness of the analysis and added a table summarizing the ideogram. We believe that these changes will be of general interest to the mouse research community and will be instrumental in our goal of improving the rigor and reproducibility of mouse-based biomedical research.

Host genetics plays an important role in determining the outcome of Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection. We previously found that Collaborative Cross mouse strains differ in their susceptibility to Mtb, and that the CC042/GeniUnc (CC042) strain suffered from a rapidly progressive disease and failed to produce the protective cytokine, IFNγ, in the lung. Here, we used parallel genetic and immunological approaches to investigate the basis of CC042 susceptibility. Using a population derived from a CC001/Unc (CC001) x CC042 intercross, we mapped four QTL underlying Tuberculosis ImmunoPhenotypes (Tip1-4). These included 2 major effect QTL on Chromosome 7 (Tip1 and Tip2) that were associated with bacterial burden. Tip2, along with Tip3 (Chromosome 15) and Tip4 (Chromosome 16) also correlated with IFNγ production following infection, whereas Tip1 appeared to control an IFNγ-independent mechanism of bacterial control. Further immunological characterization revealed that CC042 animals recruited relatively few antigen-specific T cells to the lung and these T cells failed to express the Integrin alpha L (αL; i.e., CD11a), which contributes to T cell activation and migration. These defects could be explained by a CC042 private variant in the Itgal gene, which encodes CD11a, and is found within the Tip2 interval. This 15bp deletion leads to aberrant mRNA splicing and is predicted to result in a truncated protein product. The ItgalCC042 genotype was associated with all measured disease traits, indicating that this variant is a major determinant of susceptibility in CC042. The combined effect of functionally distinct Tip variants likely explains the profound susceptibility of CC042 and highlights the multigenic nature of TB control in the Collaborative Cross.