The obligate intracellular parasite Toxoplasma gondii establishes a life-long chronic infection within any warm-blooded host. After ingestion of an encysted parasite, T. gondii disseminates throughout the body as a rapidly replicating form during acute infection. Over time and after stimulation of the host immune response, T. gondii differentiates into a slow growing, cyst form that is the hallmark of chronic infection. Global transcriptome analysis of both host and parasite during the establishment of chronic T. gondii infection has not yet been performed. Here, we conducted a dual RNA-seq analysis of T. gondii and its rodent host to better understand host and parasite responses during acute and chronic infection.We obtained nearly one billion paired-end RNA sequences from the forebrains of uninfected, acutely and chronically infected mice, then aligned them to the genomic reference files of both T. gondii and Mus musculus. Gene ontology (GO) analysis of the 100 most highly expressed T. gondii genes showed less than half were shared between acute and chronic infection. The majority of the highly expressed genes common in both acute and chronic infection were involved in transcription and translation, underscoring that parasites in both stages are actively synthesizing proteins. Similarly, most of the T. gondii genes highly expressed during chronic infection were involved in metabolic processes, again highlighting the activity of the cyst stage at 28 days post-infection. Comparative analyses of host genes using uninfected forebrain revealed over twice as many immune regulatory genes were more abundant during chronic infection compared to acute. This demonstrates the influence of parasite development on host gene transcription as well as the influence of the host environment on parasite gene transcription.RNA-seq is a valuable tool to simultaneously analyze host and microbe transcriptomes. Our data shows that T. gondii is metabolically active and synthesizing proteins at 28 days post-infection and that a distinct subset of host genes associated with the immune response are more abundant specifically during chronic infection. These data suggest host and pathogen interplay is still present during chronic infection and provides novel T. gondii targets for future drug and vaccine development.

ABSTRACT Toxoplasma gondii , the causative agent of toxoplasmosis, is an obligate intracellular parasite that infects warm-blooded vertebrates across the world. In humans, seropositivity rates of T. gondii range from 10% to 90%. Despite its prevalence, few studies address how T. gondii infection changes the metabolism of host cells. Here, we investigate how T. gondii manipulates the host cell metabolic environment by monitoring metabolic response over time using non-invasive autofluorescence lifetime imaging of single cells, seahorse metabolic flux analysis, reactive oxygen species (ROS) production, and metabolomics. Autofluorescence lifetime imaging indicates that infected host cells become more oxidized and have an increased proportion of bound NAD(P)H with infection. These findings are consistent with changes in mitochondrial and glycolytic function, decrease of intracellular glucose, fluctuations in lactate and ROS production in infected cells over time. We also examined changes associated with the pre-invasion “kiss and spit” process using autofluorescence lifetime imaging, which similarly showed a more oxidized host cell with an increased proportion of bound NAD(P)H over 48 hours. Glucose metabolic flux analysis indicated that these changes are driven by NADH and NADP+ in T. gondii infection. In sum, metabolic changes in host cells with T. gondii infection were similar during full infection, and kiss and spit. Autofluorescence lifetime imaging can non-invasively monitor metabolic changes in host cells over a microbial infection time-course.

Abstract Intracellular pathogens are auxotrophic for many metabolites and must rely on the host. While this reliance is well established, how pathogens manipulate host metabolism to their benefit is not understood. For intracellular pathogens, distinguishing the origin of the metabolite as host- or pathogen-derived is challenging. The obligate intracellular parasite Toxoplasma gondii alters the host cell by a pre-invasion process known as “kiss and spit”, where the contents of the parasite rhoptry organelles are secreted into the host cytoplasm before invasion occurs. This separation of microbe from the host offers a rare opportunity to demonstrate pathogen manipulation of the host. Using mass spectrometry-based metabolomics, we determined that kiss and spit changed host metabolites in nucleotide synthesis, the pentose phosphate pathway, glycolysis, and amino acid synthesis. An increase in 2,3-bisphosphoglycerate (2,3-BPG) abundance led us to hypothesize that high levels of host 2,3-BPG contribute to the activation of host cytosolic nucleosidase II (cN-II) to alter purine availability. Treatment with the cN-II inhibitor fludarabine and a cell line with a cN-II genetic knockout reduced T. gondii growth. Our results demonstrate that T. gondii rhoptry contents discharged during kiss and spit remodel host metabolism. They also suggest that T. gondii manipulates the host cN-II enzyme to acquire its necessary purine metabolites.

the causative agent of toxoplasmosis, is an obligate intracellular parasite that infects warm-blooded vertebrates across the world. In humans, seropositivity rates of

ABSTRACT The long-term host effects caused by the protozoan parasite Toxoplasma gondii are poorly understood. RNA-seq analysis previously determined that the host response in the brain was higher and more complex at 28 versus 10 days postinfection. Here, we analyzed the host transcriptional profile of age-and sex-matched mice during early (21 and 28 days) and late (3 and 6 months) chronic infection. We found that a majority of the host genes which increase in abundance at day 21 postinfection are still increased 6 months postinfection for both male and female mice. While most of the differentially expressed genes were similar between sexes, females have far fewer genes that are significantly less abundant, which may lead to the slight increased cyst burden in males. Transcripts for C-X-C Motif Chemokine Ligand 13 (CXCL13) and a C-C Motif Chemokine Receptor 2 (CCR2) were significantly higher in females compared to males during infection. As T. gondii chronic infection and profilin (PRF) confer resistance to Listeria monocytogenes infection in a CCR2 dependent manner, the sex specific difference in CCR2 expression lead us to re-test the protection of PRF in both sexes. Chronic infection as well as PRF were nearly as effective at reducing the bacterial burden in male versus female mice. These data show that most of the differentially express host genes are similar between males and females, important differences exist leading us to emphasize the inclusion of both sexes for future studies.

Abstract Toxoplasma gondii infection activates pattern recognition receptor (PRR) pathways that drive innate inflammatory responses to control infection. Necroptosis is a pro-inflammatory cell death pathway apart of the innate immune response that has evolved to control pathogenic infection. In this study we further defined the role of Z-DNA binding protein 1 (ZBP1) as a PRR and assessed its contribution to necroptosis as a host protection mechanism to T. gondii infection. We found that ZBP1 does not induce pro-inflammatory necroptosis cell death and ZBP1 null mice have reduced survival after oral T. gondii infection. In contrast, mice deleted in receptor-interacting serine/threonine-protein kinase 3 (RIPK3 -/- ), a central mediator of necroptosis, have significantly improved survival after oral T. gondii infection even with higher parasite burden. The physiological consequences of RIPK3 activity did not show any differences in intestine villi immunopathology but RIPK3 -/- mice showed higher immune cell infiltration and edema in the lamina propria. The contribution of necroptosis to host survival was clarified with mixed lineage kinase domain like pseudokinase null (MLKL -/- ) mice. We found MLKL -/- mice to succumb to oral T. gondii infection the same as wild type mice, indicating necroptosis-independent RIPK3 activity impacts host survival. These results provide new insights on the impacts of pro-inflammatory cell death pathways as a mechanism of host defense to oral T. gondii infection.

The obligate intracellular parasite Toxoplasma gondii is auxotrophic for several key metabolites and must scavenge these from the host. It is unclear how Toxoplasma manipulates host metabolism for its overall growth rate and non-essential metabolites. To address this question, we measured changes in the joint host-parasite metabolome over a time course of infection. Host and parasite transcriptomes were simultaneously generated to determine potential changes in metabolic enzyme levels. Toxoplasma infection increased activity in multiple metabolic pathways, including the tricarboxylic acid cycle, the pentose phosphate pathway, glycolysis, amino acid synthesis, and nucleotide metabolism. Our analysis indicated that changes in some pathways, such as the tricarboxylic acid cycle, derive from the parasite, while changes in others, like the pentose phosphate pathway, were host and parasite driven. Further experiments led to the discovery of a Toxoplasma enzyme, sedoheptulose bisphosphatase, which funnels carbon from glycolysis into ribose synthesis through a energetically driven dephosphorylation reaction. This second route for ribose synthesis resolves a conflict between the Toxoplasma tricarboxylic acid cycle and pentose phosphate pathway, which are both NADP+ dependent. During periods of high energetic and ribose need, the competition for NADP+ could result in lethal redox imbalances. Sedoheptulose bisphosphatase represents a novel step in Toxoplasma central carbon metabolism that allows Toxoplasma to satisfy its ribose demand without using NADP+. Sedoheptulose bisphosphatase is not present in humans, highlighting its potential as a drug target.

Abstract The obligate intracellular parasite Toxoplasma gondii can infect and replicate in any warm-blooded cell tested to date, but much of our knowledge about T. gondii cell biology comes from just one host cell type: human foreskin fibroblasts (HFFs). To expand our knowledge of host-parasite lipid interactions, we studied T. gondii in intestinal epithelial cells, the first site of host-parasite contact following oral infection and the exclusive site of parasite sexual development in feline hosts. We found that highly metabolic Caco-2 cells are permissive to T. gondii growth even when treated with high levels of linoleic acid (LA), a polyunsaturated fatty acid (PUFA) that kills parasites in HFFs. Caco-2 cells appear to sequester LA away from the parasite, preventing membrane disruptions and lipotoxicity that characterize LA-induced parasite death in HFFs. Our work is an important step toward understanding host-parasite interactions in feline intestinal epithelial cells, an understudied but important cell type in the T. gondii life cycle.

Many eukaryotic microbes have complex lifecycles that include both sexual and asexual phases with strict species-specificity. While the asexual cycle of the protistan parasite Toxoplasma gondii can occur in any warm-blooded mammal, the sexual cycle is restricted to the feline intestine1. The molecular determinants that identify cats as the definitive host for T. gondii are unknown. Here, we defined the mechanism of species specificity for T. gondii sexual development and break the species barrier to allow the sexual cycle to occur in mice. We determined that T. gondii sexual development occurs when cultured feline intestinal epithelial cells are supplemented with linoleic acid. Felines are the only mammals that lack delta-6-desaturase activity in their intestines, which is required for linoleic acid metabolism, resulting in systemic excess of linoleic acid2, 3. We found that inhibition of murine delta-6-desaturase and supplementation of their diet with linoleic acid allowed T. gondii sexual development in mice. This mechanism of species specificity is the first defined for a parasite sexual cycle. This work highlights how host diet and metabolism shape coevolution with microbes. The key to unlocking the species boundaries for other eukaryotic microbes may also rely on the lipid composition of their environments as we see increasing evidence for the importance of host lipid metabolism during parasitic lifecycles4, 5. Pregnant women are advised against handling cat litter as maternal infection with T. gondii can be transmitted to the fetus with potentially lethal outcomes. Knowing the molecular components that create a conducive environment for T. gondii sexual reproduction will allow for development of therapeutics that prevent shedding of T. gondii parasites. Finally, given the current reliance on companion animals to study T. gondii sexual development, this work will allow the T. gondii field to use of alternative models in future studies.

Abstract During an immune response, macrophages systematically rewire their metabolism in specific ways to support their diversve functions. However, current knowledge of macrophage metabolism is largely concentrated on central carbon metabolism. Using multi-omics analysis, we identified nucleotide metabolism as one of the most significantly rewired pathways upon classical activation. Further isotopic tracing studies revealed several major changes underlying the substantial metabolomic alterations: 1) de novo synthesis of both purines and pyrimidines is shut down at several specific steps; 2) nucleotide degradation activity to nitrogenous bases is increased but complete oxidation of bases is reduced, causing a great accumulation of nucleosides and bases; and 3) cells gradually switch to primarily relying on salvaging the nucleosides and bases for maintaining most nucleotide pools. Mechanistically, the inhibition of purine nucleotide de novo synthesis is mainly caused by nitric oxide (NO)-driven inhibition of the IMP synthesis enzyme ATIC, with NO-independent transcriptional downregulation of purine synthesis genes augmenting the effect. The inhibition of pyrimidine nucleotide de novo synthesis is driven by NO-driven inhibition of CTP synthetase (CTPS) and transcriptional downregulation of thymidylate synthase (TYMS). For the rewiring of degradation, purine nucleoside phosphorylase (PNP) and uridine phosphorylase (UPP) are transcriptionally upregulated, increasing nucleoside degradation activity. However, complete degradation of purine bases by xanthine oxidoreductase (XOR) is inhibited by NO, diverting flux into nucleotide salvage. Inhibiting the activation-induced switch from nucleotide de novo synthesis to salvage by knocking out the purine salvage enzyme hypoxanthine-guanine phosporibosyl transferase ( Hprt ) significantly alters the expression of genes important for activated macrophage functions, suppresses macrophage migration, and increases pyroptosis. Furthermore, knocking out Hprt or Xor increases proliferation of the intracellular parasite Toxoplasma gondii in macrophages. Together, these studies comprehensively reveal the characteristics, the key regulatory mechanisms, and the functional importance of the dynamic rewiring of nucleotide metabolism in classically activated macrophages.