How neutrophils clear hyphae and other pathogens that are too large to be ingested by phagocytosis has remained unknown. Papayannopoulos et al. show that neutrophils sense microbe size and selectively release neutrophil extracellular traps in response to large pathogens. Neutrophils are critical for antifungal defense, but the mechanisms that clear hyphae and other pathogens that are too large to be phagocytosed remain unknown. We found that neutrophils sensed microbe size and selectively released neutrophil extracellular traps (NETs) in response to large pathogens, such as Candida albicans hyphae and extracellular aggregates of Mycobacterium bovis, but not in response to small yeast or single bacteria. NETs were fundamental in countering large pathogens in vivo. Phagocytosis via dectin-1 acted as a sensor of microbe size and prevented NET release by downregulating the translocation of neutrophil elastase (NE) to the nucleus. Dectin-1 deficiency led to aberrant NET release and NET-mediated tissue damage during infection. Size-tailored neutrophil responses cleared large microbes and minimized pathology when microbes were small enough to be phagocytosed.

Autophagy is a normal degradative pathway that involves the sequestration of cytoplasmic components and organelles in a vacuole called an autophagosome that finally fuses with the lysosome. Rab7 is a member of the Rab family involved in transport to late endosomes and in the biogenesis of the perinuclear lysosome compartment. To assess the role of Rab7 in autophagy we stably transfected CHO cells with wild-type pEGFP-Rab7, and the mutants T22N (GDP form) and Q67L (GTP form). Autophagy was induced by amino acid starvation and the autophagic vacuoles were labeled with monodansylcadaverine. By fluorescence microscopy we observed that Rab7wt and the active mutant Rab7Q67L were associated with ring-shaped vesicles labeled with monodansylcadaverine indicating that these Rab proteins associate with the membrane of autophagic vesicles. As expected, in cells transfected with the negative mutant Rab7T22N the protein was diffusely distributed in the cytosol. However, upon induction of autophagy by amino acid starvation or by rapamycin treatment this mutant clearly decorated the monodansylcadaverine-labeled vesicles. Furthermore, a marked increase in the size of the monodansylcadaverine-labeled vacuoles induced by starvation was observed by overexpression of the inactive mutant T22N. Similarly, there was an increase in the size of vesicles labeled with LC3, a protein that specifically localizes on the autophagosomal membrane. Taken together the results indicate that a functional Rab7 is important for the normal progression of autophagy.

Abstract Correlative light, electron and ion microscopy (CLEIM) offers huge potential to track the intracellular fate of antibiotics, with organelle-level resolution. However, a correlative approach that enables subcellular antibiotic visualisation in pathogen-infected tissue is lacking. Here, we developed CLEIM in tissue (CLEIMiT), and used it to identify the cell-type specific accumulation of an antibiotic in lung lesions of mice infected with Mycobacterium tuberculosis. Using CLEIMiT, we found that the anti-TB drug bedaquiline is localised not only in foamy macrophages in the lungs during infection but also accumulate in polymorphonuclear (PMN) cells.

Abstract Several intracellular pathogens, such as Mycobacterium tuberculosis, damage endomembranes to access the cytosol and subvert innate immune responses. The host counteracts endomembrane damage by recruiting repair machineries that retain the pathogen inside the vacuole. Here, we show that the endoplasmic reticulum (ER)-Golgi protein oxysterol binding protein (OSBP) and its Dictyostelium discoideum homologue OSBP8 are recruited to the Mycobacterium -containing vacuole (MCV) after ESX-1-dependent membrane damage. Lack of OSBP8 causes a hyperaccumulation of phosphatidylinositol-4-phosphate (PI4P) on the MCV and decreased cell viability. OSBP8-depleted cells had reduced lysosomal and degradative capabilities of their vacuoles that favoured mycobacterial growth. In agreement with a function of OSBP8 in membrane repair, human macrophages infected with M. tuberculosis recruited OSBP in an ESX-1 dependent manner. These findings identified an ER-dependent repair mechanism for restoring MCVs in which OSBP8 functions to equilibrate PI4P levels on damaged membranes. Importance Tuberculosis still remains a global burden and is one of the top infectious diseases from a single pathogen. Mycobacterium tuberculosis , the causative agent, has perfected many ways to replicate and persist within its host. While mycobacteria induce vacuole damage to evade the toxic environment and eventually escape into the cytosol, the host recruits repair machineries to restore the MCV membrane. However, how lipids are delivered for membrane repair is poorly understood. Using advanced fluorescence imaging and volumetric correlative approaches, we demonstrate that this involves the recruitment of the ER-Golgi lipid transfer protein OSBP8 in the D. discoideum / M. marinum system. Strikingly, depletion of OSBP8 affects lysosomal function accelerating mycobacterial growth. This indicates that an ER-dependent repair pathway constitutes a host defence mechanism against intracellular pathogens such as M. tuberculosis .

Summary The intracellular population of Mycobacterium tuberculosis (Mtb) is dynamically segregated within multiple subcellular niches with different biochemical and biophysical properties that, upon treatment, may impact antibiotic distribution, accumulation, and efficacy. However, it remains unclear whether fluctuating intracellular microenvironments alter mycobacterial homeostasis and contribute to antibiotic enrichment and efficacy. Here, we describe a dual-imaging approach that allows quantitative monitoring of host subcellular acidification and Mtb intrabacterial pH profiles by live-fluorescence microscopy in a biosafety level 3 laboratory. By combining this live imaging approach with pharmacological and genetic perturbations, we show that Mtb can maintain its intracellular pH independently of the surrounding pH in primary human macrophages. Importantly, we show that unlike bedaquiline (BDQ), isoniazid (INH) or rifampicin (RIF), the front-line drug pyrazinamide (PZA) displays antibacterial efficacy by acting as protonophore which disrupts intrabacterial pH homeostasis in cellulo . By using Mtb mutants with different intra-macrophage localisation, we confirmed that intracellular acidification is a prerequisite for PZA efficacy in cellulo . We anticipate this dual imaging approach will be useful to identify host cellular environments that affect antibiotic efficacy against intracellular pathogens. Highlights Mtb maintains its intrabacterial pH inside both acidic and neutral subcellular microenvironments of human macrophages Pyrazinamide, but not other frontline antibiotics, acts as a protonophore in cellulo Pyrazinamide-mediated intrabacterial pH homeostasis disruption and antibacterial efficacy requires host endolysosomal acidification Cytosolic localisation mediated by ESX-1 contributes to pyrazinamide antibacterial activity resistance Pyrazinamide conversion into pyrazinoic acid by the pyrazinamidase/nicotinamidase PncA is essential for its protonophore activity and efficacy in cellulo

Abstract The ability of Mycobacterium tuberculosis to form serpentine cords is intrinsically related to its virulence, but specifically how M. tuberculosis cording contributes to pathogenesis remains obscure. We show that several M. tuberculosis clinical isolates form intracellular cords in primary human lymphatic endothelial cells (hLEC) in vitro and also in the lymph nodes of patients with tuberculosis. We identified via RNA-seq a transcriptional programme in hLEC that activates cellular pro-survival and cytosolic surveillance of intracellular pathogens pathways. Consistent with this, cytosolic access of hLEC is required for intracellular M. tuberculosis cording; and cord formation is dependent on the M. tuberculosis ESX-1 type VII secretion system and the mycobacterial lipid PDIM. Finally, we show that M. tuberculosis cording is a novel size-dependent mechanism used by the pathogen to evade xenophagy in the cytosol of endothelial cells. These results provide a mechanism that explains the long-standing association between M. tuberculosis cording and virulence.

ABSTRACT Lysosome damage activates multiple pathways to prevent lysosome-dependent cell death, including a repair mechanism involving ER-lysosome membrane contact sites, phosphatidylinositol 4-kinase- 2a (PI4K2A), phosphatidylinositol-4 phosphate (PI4P) and oxysterol-binding protein-related proteins (ORPs), lipid transfer proteins. PI4K2A localizes to trans-Golgi network and endosomes yet how it is delivered to damaged lysosomes remains unknown. During acute sterile damage, and damage caused by intracellular bacteria, we show that ATG9A-containing vesicles perform a critical role in delivering PI4K2A to damaged lysosomes. ADP ribosylation factor interacting protein 2 (ARFIP2), a component of ATG9A vesicles, binds and sequesters PI4P on lysosomes, balancing ORP- dependent lipid transfer and promoting retrieval of ATG9A vesicles through recruitment of the adaptor protein complex-3 (AP-3). Our results reveal a role for mobilized ATG9A vesicles and ARFIP2 in lysosome homeostasis after damage and bacterial infection.

Abstract Tuberculosis (TB) is characterized by the formation of heterogenous, immune-rich granulomas present in various forms in the lungs. Both host and pathogen contribute to this heterogeneity however the molecular and cellular drivers of within-host granuloma heterogeneity remain to be fully elucidated. This knowledge gap is due to a lack of experimental approaches that can fully capture the complex dynamics of the lung architecture, dynamics of host-pathogen interplay and pathogenesis. Here, we developed an approach that combines PACT-based clearing with light sheet fluorescent microscopy for visualizing lesion architecture development and lung involvement in M. tuberculosis -infected C3HeB/FeJ susceptible mice. This 3D modelling of whole lung lobes approach revealed critical architectural features in lesion development and lung involvement that were not apparent using traditional thin section imaging. Wild type M. tuberculosis infection triggered a clear and well-organized granulomatous-like organization with substantial growth throughout the infection period that invaded a high percentage of the total lung volume. In contrast, infection with the avirulent ESX-1 deletion mutant strain Mtb ΔRD1 showed an altered growth pattern with diffuse and sparsely organized CD11b recruitment to sites of infection. Moreover, most of the Mtb ΔRD1-triggered lesions were present in the periphery of the lungs and did not display any formal organization. We further provide a novel way of interrogating PACT-cleared tissue for high ultrastructural content using volumetric correlative light and electron microscopy, allowing individual immune cell populations to be tracked and their fate within the granuloma captured. Ultimately, the combination of both modalities allowed an unprecedented view of the architectural distribution of M. tuberculosis in the lungs and the progression of lesion development over time. Our data highlight that ESX-1 from M. tuberculosis is required for lesion architecture progression in a susceptible mouse model of TB.

Summary Transient lysosomal damage after infection with cytosolic pathogens or silica crystals uptake results in protease leakage. Whether limited leakage of lysosomal contents into the cytosol affects the function of cytoplasmic organelles is unknown. Here, we show that sterile and non-sterile lysosomal damage triggers a cell death independent proteolytic remodelling of the mitochondrial proteome in macrophages. Mitochondrial metabolic reprogramming required lysosomal leakage of Cathepsin B and Cathepsin L and was independent of proteasome degradation and mitophagy. In a mouse model of endomembrane damage, metabolic analysis confirmed that in vivo, live lung macrophages that internalised crystals displayed impaired mitochondrial function and increased glycolytic and lipid metabolism. Single-cell RNA-sequencing analysis of bronchoalveolar lavage revealed that lysosomal damage skewed metabolic and immune responses primarily in CD36 + /LIPA + and Krt79 + /Car4 + subsets of alveolar macrophages. Importantly, modulation of macrophage metabolism with 2-Deoxy- d- glucose and oxamate impacted the host response to Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection in an endomembrane damage dependent manner. This work uncovers a new inter-organelle communication pathway, providing a general mechanism by which macrophages undergo mitochondrial metabolic reprograming after endomembrane damage.