Chronic liver disease due to alcohol-use disorder contributes markedly to the global burden of disease and mortality1–3. Alcoholic hepatitis is a severe and life-threatening form of alcohol-associated liver disease. The gut microbiota promotes ethanol-induced liver disease in mice4, but little is known about the microbial factors that are responsible for this process. Here we identify cytolysin—a two-subunit exotoxin that is secreted by Enterococcus faecalis5,6—as a cause of hepatocyte death and liver injury. Compared with non-alcoholic individuals or patients with alcohol-use disorder, patients with alcoholic hepatitis have increased faecal numbers of E. faecalis. The presence of cytolysin-positive (cytolytic) E. faecalis correlated with the severity of liver disease and with mortality in patients with alcoholic hepatitis. Using humanized mice that were colonized with bacteria from the faeces of patients with alcoholic hepatitis, we investigated the therapeutic effects of bacteriophages that target cytolytic E. faecalis. We found that these bacteriophages decrease cytolysin in the liver and abolish ethanol-induced liver disease in humanized mice. Our findings link cytolytic E. faecalis with more severe clinical outcomes and increased mortality in patients with alcoholic hepatitis. We show that bacteriophages can specifically target cytolytic E. faecalis, which provides a method for precisely editing the intestinal microbiota. A clinical trial with a larger cohort is required to validate the relevance of our findings in humans, and to test whether this therapeutic approach is effective for patients with alcoholic hepatitis. In patients with alcoholic hepatitis, cytolysin-positive Enterococcus faecalis strains are correlated with liver disease severity and increased mortality, and in mouse models these strains can be specifically targeted by bacteriophages.

The duplication of genes can occur through various mechanisms and is thought to make a major contribution to the evolutionary diversification of organisms. There is increasing evidence for a large-scale duplication of genes in some chelicerate lineages including two rounds of whole genome duplication (WGD) in horseshoe crabs. To investigate this further, we sequenced and analyzed the genome of the common house spider Parasteatoda tepidariorum. We found pervasive duplication of both coding and non-coding genes in this spider, including two clusters of Hox genes. Analysis of synteny conservation across the P. tepidariorum genome suggests that there has been an ancient WGD in spiders. Comparison with the genomes of other chelicerates, including that of the newly sequenced bark scorpion Centruroides sculpturatus, suggests that this event occurred in the common ancestor of spiders and scorpions, and is probably independent of the WGDs in horseshoe crabs. Furthermore, characterization of the sequence and expression of the Hox paralogs in P. tepidariorum suggests that many have been subject to neo-functionalization and/or sub-functionalization since their duplication. Our results reveal that spiders and scorpions are likely the descendants of a polyploid ancestor that lived more than 450 MYA. Given the extensive morphological diversity and ecological adaptations found among these animals, rivaling those of vertebrates, our study of the ancient WGD event in Arachnopulmonata provides a new comparative platform to explore common and divergent evolutionary outcomes of polyploidization events across eukaryotes.

Auxin regulates the expression of diverse genes that affect plant growth and development. This regulation requires AUXIN RESPONSE FACTORS (ARFs) that bind to the promoter regions of these genes. ARF6 and ARF8 in Arabidopsis thaliana are required to promote inflorescence stem elongation and late stages of petal, stamen, and gynoecium development. All seed plants studied thus far have ARF6 and ARF8 orthologues as well as the microRNA miR167, which targets ARF6 and ARF8. Whether these genes have broadly conserved roles in flower development is not known. To address this question, the effects of down-regulation of ARF6 and ARF8 were investigated through transgenic expression of Arabidopsis MIR167a in tomato, which diverged from Arabidopsis before the radiation of dicotyledonous plants approximately 90–112 million years ago. The transgenic tomato plants overexpressing MIR167a exhibited reductions in leaf size and internode length as well as shortened petals, stamens, and styles. More significantly, the transgenic plants were female-sterile as a result of failure of wild-type pollen to germinate on the stigma surface and/or to grow through the style. RNA-Seq analysis identified many genes with significantly altered expression patterns, including those encoding products with functions in ‘transcription regulation’, ‘cell wall’ and ‘lipid metabolism’ categories. Putative orthologues of a subset of these genes were also differentially expressed in Arabidopsis arf6 arf8 mutant flowers. These results thus suggest that ARF6 and ARF8 have conserved roles in controlling growth and development of vegetative and flower organs in dicots.

There is a critical gap in knowledge about how Gram-negative bacterial pathogens, using survival strategies developed for other niches, cause lethal bacteremia. Facultative anaerobic species of the Enterobacterales order are the most common cause of Gram-negative bacteremia, including Escherichia coli , Klebsiella pneumoniae , Serratia marcescens , Citrobacter freundii , and Enterobacter hormaechei . Bacteremia often leads to sepsis, a life-threatening organ dysfunction resulting from unregulated immune responses to infection. Despite a lack of specialization for this host environment, Gram-negative pathogens cause nearly half of bacteremia cases annually. Based on our existing Tn-Seq fitness factor data from a murine model of bacteremia combined with comparative genomics of the five Enterobacterales species above, we prioritized 18 conserved fitness genes or operons for further characterization. Mutants were constructed for all genes in all five species. Each mutant was used to cochallenge C57BL/6 mice via tail vein injection along with each respective wild-type strain to determine competitive indices for each fitness gene. Five fitness factor genes, when mutated, attenuated mutants in four or five species in the spleen and liver ( tatC , ruvA , gmhB , wzxE , arcA ). Five additional fitness factor genes or operons were validated as outcompeted by wild-type in three, four, or five bacterial species in the spleen ( xerC , prc , apaGH , atpG , aroC ). Overall, 17 of 18 fitness factor mutants were attenuated in at least one species in the spleen or liver. Together, these findings allow for the development of a model of bacteremia pathogenesis that may include future targets of therapy against bloodstream infections.

Abstract There is a critical gap in knowledge about how Gram-negative bacterial pathogens, using survival strategies developed for other niches, cause lethal bacteremia. Facultative anaerobic species of the Enterobacterales order are the most common cause of Gram-negative bacteremia, including Escherichia coli , Klebsiella pneumoniae , Serratia marcescens, Citrobacter freundii, and Enterobacter hormaechei . Bacteremia often leads to sepsis, a life-threatening organ dysfunction resulting from an unregulated immune response to infection. Despite a lack of specialization for this host environment, Gram-negative pathogens cause nearly half of bacteremia cases annually. Based on our existing Tn-Seq fitness factor data from a murine model of bacteremia combined with comparative genomics of the five Enterobacterales species above, we prioritized 18 conserved fitness genes or operons for further characterization. Each mutant in each species was used to cochallenge C57BL/6 mice via tail vein injection along with the respective wild-type strain to determine competitive indices for each fitness gene or operon. Among the five species, we found three fitness factor genes, that when mutated, attenuated the mutant for all species in the spleen and liver ( tatC, ruvA, gmhB ). Nine additional fitness factor genes or operons were validated as outcompeted by wild-type in three or four bacterial species in the spleen ( xerC , wzxE , arcA , prc , apaGH , atpG , lpdA , ubiH , aroC ). Overall, 17 of 18 fitness factor mutants were attenuated in at least one species in the spleen or liver. Together, these findings allow for the development of a model of bacteremia pathogenesis that may include future targets of therapy against bloodstream infections. >Author Summary Frequent cases of bacteremia plague our ICUs, bone marrow transplant units, and inpatient facilities. Nearly half of these infections are caused by Gram-negative bacteria. The Enterobacterales order including E. coli , K. pneumoniae, S. marcescens, C. freundii , and E. hormaechei are leading causes of bacteremia. An alarming proportion of these are due to antibiotic-resistant isolates, which are four times more likely to kill than antibiotic-susceptible isolates. Clearly, we need new therapeutic targets to treat cases of bacteremia and sepsis. Previously, it has been unclear what genes contribute to their ability to survive in this hostile host environment. We have previously undertaken unbiased genetic screens to identify 18 genes shared by all five bacterial genera that are required for survival in blood and blood-filtering organs. These include genes that encode proteins that maintain proton motive force, resist antimicrobial peptides and complement, mediate genome maintenance, transport key metabolites and proteins, avoid oxidative stress, acquire iron, and regulate key pathways. Mutants, constructed in these shared genes in the five species, were validated for a high proportion of genes as critical for infection in the mouse model of bacteremia.

The duplication of genes can occur through various mechanisms and is thought to make a major contribution to the evolutionary diversification of organisms. There is increasing evidence for a large-scale duplication of genes in some chelicerate lineages including two rounds of whole genome duplication (WGD) in horseshoe crabs. To investigate this further we sequenced and analyzed the genome of the common house spider Parasteatoda tepidariorum. We found pervasive duplication of both coding and non-coding genes in this spider, including two clusters of Hox genes. Analysis of synteny conservation across the P. tepidariorum genome suggests that there has been an ancient WGD in spiders. Comparison with the genomes of other chelicerates, including that of the newly sequenced bark scorpion Centruroides sculpturatus, suggests that this event occurred in the common ancestor of spiders and scorpions and is probably independent of the WGDs in horseshoe crabs. Furthermore, characterization of the sequence and expression of the Hox paralogs in P. tepidariorum suggests that many have been subject to neofunctionalization and/or subfunctionalization since their duplication, and therefore may have contributed to the diversification of spiders and other pulmonate arachnids.

Sepsis is life-threatening organ dysfunction due to an unregulated immune response to infection. Bacteremia is a leading cause of sepsis, and members of the Enterobacterales cause nearly half of bacteremia cases annually. While previous Tn-Seq studies to identify novel bacteremia-fitness genes have provided valuable insight into virulence mechanisms, evidence for common pathways across species was lacking. To identify common fitness pathways in five bacteremia-caused Enterobacterales species, we utilized the JCVI pan-genome pipeline to integrate Tn-Seq fitness data with multiple available functional data types. Core genes from species pan-genomes were used to construct a multi-species core pan-genome, producing 2,850 core gene clusters found in four out of the five species. Integration of Tn-Seq fitness data enabled identification of 373 protein clusters that were conserved in all five species. A scoring rubric was applied to these clusters, which incorporated Tn-Seq fitness defects, operon localization, and antibiotic susceptibility data to identify seven common bacteremia-fitness pathways. Mutations in tatC showed reduced fitness in vivo and increased susceptibility to beta-lactams that were restored following tatC complementation in trans . By integrating known operon structures and antibiotic susceptibility with Tn-Seq fitness data, common genes within the core pan-genome emerged and revealed mechanisms that are essential for colonization of, or survival in, the mammalian bloodstream. Our prediction and validation of tatC as a common bacteremia fitness factor and contributor of antibiotic resistance supports the utility of this bioinformatic approach. This study represents a major step forward to identify novel targets of therapy against these deadly widespread sepsis infections.