Cells rely on cytokines to coordinate their activation, differentiation, proliferation and survival. In particular, γC cytokines (interleukins IL-2, 4, 7, 9, 15, and 21) regulate the fate of leukocytes. The signaling cascade induced by these cytokines is relatively simple, and involves the phosphorylation of receptor-associated Janus-like kinases (JAK). Here, we explore the cell-to-cell variability of cytokine responses in primary mouse T~cells, and find a paradoxical and quantitative imprint of receptor expression levels and other signaling components. For instance, high abundance of the common $\gamma_c$ chain reduces cytokine responses (both in terms of signaling amplitudes and characteristic cytokine concentrations triggering 50% of the response). We develop mathematical models to quantify how limited abundances of signaling components (e.g. JAK or other cytokine receptor subunit chains) may explain our experimental observations. We conclude by generalizing this observation of cell-to-cell signaling variability to other ligand-receptor-kinase systems.

ABSTRACT Cytokines elicit pleiotropic and non-redundant activities despite strong overlap in their usage of receptors, JAKs and STATs molecules. We use IL-6 and IL-27 to ask how two cytokines activating the same signaling pathway have different biological roles. We found that IL-27 induces more sustained STAT1 phosphorylation than IL-6, with the two cytokines inducing comparable levels of STAT3 phosphorylation. Mathematical and statistical modelling of IL-6 and IL-27 signaling identified STAT3 binding to GP130, and STAT1 binding to IL-27Rα, as the main dynamical processes contributing to sustained pSTAT1 by IL-27. Mutation of Tyr613 on IL-27Rα decreased IL-27-induced STAT1 phosphorylation by 80% but had limited effect on STAT3 phosphorylation. Strong receptor/STAT coupling by IL-27 initiated a unique gene expression program, which required sustained STAT1 phosphorylation and IRF1 expression and was enriched in classical Interferon Stimulated Genes. Interestingly, the STAT/receptor coupling exhibited by IL-6/IL-27 was altered in patients with Systemic lupus erythematosus (SLE). IL-6/IL-27 induced a more potent STAT1 activation in SLE patients than in healthy controls, which correlated with higher STAT1 expression in these patients. Partial inhibition of JAK activation by sub-saturating doses of Tofacitinib specifically lowered the levels of STAT1 activation by IL-6. Our data show that receptor and STATs concentrations critically contribute to shape cytokine responses and generate functional pleiotropy in health and disease.

Receptor tyrosine kinases (RTKs), the largest class of transmembrane cell surface receptors, initiate signalling pathways which regulate diverse cellular processes. On activation these receptors rapidly recruit multiple downstream effector proteins to moderate affinity tyrosyl phosphate (pY) binding sites. However, the mechanism for expedient downstream effector protein recruitment via random molecular diffusion through the cytoplasm is not fully understood. One way in which the probabilistic outcome associated with random diffusion could be alleviated is through localized accumulation of high effective concentrations of signalling proteins in discrete pools in the cell. The inclusion of interacting proteins into liquid-liquid phase-separated (LLPS), membraneless protein droplets maintains functionally relevant proteins at high concentrations in a liquid phase at the required point of action, enhancing equilibrium binding and enzyme activity. These LLPS states have been associated with a wide range of cellular functions including regulation of signalling through, for example, nephrin, the T-cell receptor, mTOR, and Sos-Ras, however, whether LLPS extends to RTK-mediated signal transduction has not been investigated. Here, we show that an RTK, fibroblast growth factor receptor 2 (FGFR2), forms a signalling competent LLPS state with two downstream effectors, a tandem Src homology 2 (SH2) domain-containing protein tyrosine phosphatase 2 (Shp2), and 1-phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate phosphodiesterase gamma 1 (Plcγ1). We show that these proteins assemble into a ternary complex which exploits LLPS condensation to simultaneously modulate kinase, phosphatase and phospholipase activities. Therefore, LLPS formation ensures that the requirement for prolonged, high-fidelity signalling is achieved. Additional RTKs also form LLPS with their downstream effectors, suggesting that formation of biological condensates is a key organising principle of RTK-mediated signalling, with broad implications for further mechanistic studies as well as therapeutic intervention.

Abstract Many intra-cellular processes rely on transport by endosomes. Recent experimental techniques have provided insights into organelle maturation and its specific role in, for instance, the ability of a virus to escape an endosome and release its genetic material in the cytoplasm. Endosome maturation and dynamics depend on GTPases called Rabs, found on their membrane. Here, we introduce a mathematical framework, combining coagulation and fragmentation of endosomes with two variables internal to each organelle, to model endosomes as intra-cellular compartments characterised by their levels of (active) Rab5 and Rab7. The key element in our framework is the “per-cell endosomal distribution” and its its dynamical equation or Boltzmann equation. The Boltzmann equation, then, allows one to deduce simple equations for the total number of endosomes in a cell, and for the mean and standard deviation of the Rab5 and Rab7 levels. We compare our solutions with experimental data sets of Dengue viral escape from endosomes. The relationship between endosomal Rab levels and pH suggests a mechanism which can account for the observed variability in viral escape times, which in turn regulate the viability of a viral intra-cellular infection. Author summary Endosomes are intra-cellular receptacle-like organelles, which transport endocytosed cargo upon internalisation from the plasma membrane. These early endosomes, also known as sorting endosomes, mature to late endosomes, with a lower pH than early ones, as a consequence of the intricate dynamics of a family of molecules called Rabs. Viruses exploit this endosomal pH drop to their advantage. Here we bring together experimental data on Dengue viral escape times from endosomes and a novel mathematical framework inspired by the theory of droplet coalescence, to improve our understanding of endosome maturation, and in turn to quantify the large variability of viral escape times. This mathematical framework can easily be generalised to model the dynamics of other intra-cellular organelles, such as mitochondria or the endoplasmic reticulum.

SARS-CoV-2 still presents a global threat to human health due to the continued emergence of new strains and waning immunity among vaccinated populations. Therefore, it is still relevant to investigate potential therapeutics, such as therapeutic interfering particles (TIPs). Mathematical and computational modeling are valuable tools to study viral infection dynamics for predictive analysis. Here, we expand on the previous work on SARS-CoV-2 intra-cellular replication dynamics to include defective interfering particles (DIPs) as potential therapeutic agents. We formulate a deterministic model that describes the replication of wild-type (WT) SARS-CoV-2 virus in the presence of DIPs. Sensitivity analysis of parameters to several model outputs is employed to inform us on those parameters to be carefully calibrated from experimental data. We then study the effects of co-infection on WT replication and how DIP dose perturbs the release of WT viral particles. Furthermore, we provide a stochastic formulation of the model that is compared to the deterministic one. These models could be further developed into population-level models or used to guide the development and dose of TIPs.

Division and differentiation events by which cell populations with specific functions are generated often take place as part of a developmental programme, which can be represented by a sequence of compartments. A compartment is the set of cells with common characteristics; sharing, for instance, a spatial location or a phenotype. Differentiation events are transitions from one compartment to the next. Cells may also die or divide. We consider three different types of division events: (i) where both daughter cells inherit the mother's phenotype (self-renewal), (ii) where only one of the daughters changes phenotype (asymmetric division), and (iii) where both daughters change phenotype (symmetric division). The self-renewal probability in each compartment determines whether the progeny of a single cell, moving through the sequence of compartments, is finite or grows without bound. We analyse the progeny stochastic dynamics with probability generating functions. In the case of self-renewal, by following one of the daughters after any division event, we may construct lifelines containing only one cell at any time. We analyse the number of divisions along such lines, and the compartment where lines terminate with a death event. Analysis and numerical simulations are applied to a five-compartment model of the gradual differentiation of hematopoietic stem cells and to a model of thymocyte development: from pre-double positive to single positive (SP) cells with a bifurcation to either SP4 or SP8 in the last compartment of the sequence.

SARS-CoV-2 still presents a global threat to human health due to the continued emergence of new strains and waning immunity amongst vaccinated populations. Therefore, it is still relevant to investigate potential therapeutics, such as therapeutic interfering particles (TIPs). Mathematical and computational modelling are valuable tools to study viral infection dynamics for predictive analysis. Here, we expand on the previous work by Grebennikov et al. (2021) on SARS-CoV-2 intra-cellular replication dynamics to include defective interfering particles (DIPs) as potential therapeutic agents. We formulate a deterministic model that describes the replication of wild-type (WT) SARS-CoV-2 virus in the presence of DIPs. Sensitivity analysis of parameters to several model outputs is employed to inform us on those parameters to be carefully calibrated from experimental data. We then study the effects of co-infection on WT replication and how DIP dose perturbs the release of WT viral particles. Furthermore, we provide a stochastic formulation of the model that is compared to the deterministic one. These models could be further developed into population-level models or used to guide the development and dose of TIPs.

Reassortment is an evolutionary process common in viruses with segmented genomes. These viruses can swap whole genomic segments during cellular co-infection, giving rise to new viral variants. Large-scale genome rearrangements, such as reassortment, have the potential to quickly generate new phenotypes, making the understanding of viral reassortment important to both evolutionary biology and public health research. In this paper, we argue that reassortment cannot be reliably inferred from incongruities between segment phylogenies using the established remove-and-rejoin or coalescent approaches. We instead show that reassortment must be considered in the context of a broader population process that includes the dynamics of the infected hosts. Using illustrative examples and simulation we identify four types of evolutionary events that are difficult or impossible to reconstruct with incongruence-based methods. Further, we show that these specific situations are very common and will likely occur even in small samples. Finally, we argue that existing methods can be augmented or modified to account for all the problematic situations that we identify in this paper. Robust assessment of the role of reassortment in viral evolution is difficult, and we hope to provide conceptual clarity on some important methodological issues that can arise in the development of the next generation of tools for studying reassortment.

ABSTRACT Vaccines have historically played a pivotal role in controlling epidemics. Effective vaccines for viruses causing significant human disease, e.g ., Ebola, Lassa fever, or Crimean Congo hemorrhagic fever virus, would be invaluable to public health strategies and counter-measure development missions. Here, we propose coverage metrics to quantify vaccine-induced CD8 + T cell-mediated immune protection, as well as metrics to characterize immuno-dominant epitopes, in light of human genetic heterogeneity and viral evolution. Proof-of-principle of our approach and methods will be demonstrated for Ebola virus, SARS-CoV-2, and Burkholderia pseudomallei (vaccine) proteins.

HIV can persist in a latent form as integrated DNA (provirus) in resting CD4+ T cells of infected individuals and as such is unaffected by antiretroviral therapy (ART). Despite being a major obstacle for eradication efforts, the genetic variation and timing of formation of this latent reservoir remains poorly understood. Previous studies on when virus is deposited in the latent reservoir have come to contradictory conclusions. To reexamine the genetic variation of HIV in CD4+ T cells during ART, we determined the divergence in envelope sequences collected from 10 SIV infected rhesus macaques. We found that the macaques displayed a biphasic decline of the viral divergence over time, where the first phase lasted for an average of 11.6 weeks (range 4-28 weeks). Motivated by recent observations that the HIV-infected CD4+ T cell population is composed of short- and long-lived subsets, we developed a model to study the divergence dynamics. We found that SIV in short-lived cells was on average more diverged, while long-lived cells harbored less diverged virus. This suggests that the long-lived cells harbor virus deposited starting earlier in infection and continuing throughout infection, while short-lived cells predominantly harbor more recent virus. As these cell populations decayed, the overall proviral divergence decline matched that observed in the empirical data. This model explains previous seemingly contradictory results on the timing of virus deposition into the latent reservoir, and should provide guidance for future eradication efforts.