The production of nitric oxide and other reactive nitrogen intermediates (RNI) by macrophages helps to control infection by Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ). However, the protection is imperfect and infection persists. To identify genes that Mtb requires to resist RNI, we screened 10,100 Mtb transposon mutants for hypersusceptibility to acidified nitrite. We found 12 mutants with insertions in seven genes representing six pathways, including the repair of DNA ( uvrB ) and the synthesis of a flavin cofactor ( fbiC ). Five mutants had insertions in proteasome-associated genes. An Mtb mutant deficient in a presumptive proteasomal adenosine triphosphatase was attenuated in mice, and exposure to proteasomal protease inhibitors markedly sensitized wild-type Mtb to RNI. Thus, the mycobacterial proteasome serves as a defense against oxidative or nitrosative stress.

The protein modifier ubiquitin is a signal for proteasome-mediated degradation in eukaryotes. Proteasome-bearing prokaryotes have been thought to degrade proteins via a ubiquitin-independent pathway. We have identified a prokaryotic ubiquitin-like protein, Pup (Rv2111c), which was specifically conjugated to proteasome substrates in the pathogen Mycobacterium tuberculosis . Pupylation occurred on lysines and required proteasome accessory factor A (PafA). In a pafA mutant, pupylated proteins were absent and substrates accumulated, thereby connecting pupylation with degradation. Although analogous to ubiquitylation, pupylation appears to proceed by a different chemistry. Thus, like eukaryotes, bacteria may use a small-protein modifier to control protein stability.

In

In all domains of life, proteasomes are gated chambered proteases that require opening by activators in order to facilitate protein degradation. Twelve proteasome accessory factor E (PafE) monomers assemble into a single, dodecameric ring to promote proteolysis that is required for the full virulence of the human bacterial pathogen Mycobacterium tuberculosis. While the best characterized proteasome activators use ATP to deliver proteins into a proteasome, PafE does not require ATP. In order to understand the mechanism of PafE-mediated protein targeting and proteasome activation, we studied the interactions of PafE with native substrates, including a newly identified proteasome substrate, Rv3213c, and with proteasome core particles. We characterized the function of a highly conserved feature conserved in bacterial proteasome activator proteins: a glycine-glutamine-tyrosine leucine or "GQYL" motif at their carboxyl-termini that is essential to stimulate proteolysis. Using cryoelectron microscopy, we found that the GQYL motif of PafE interacts with specific residues in the α-subunits of the proteasome core particle to trigger gate opening and degradation. Finally, we found that PafE rings have 40-Å openings lined with hydrophobic residues that form a chamber for capturing substrates prior to the onset of degradation. This result suggests PafE has a previously unrecognized chaperone activity. Collectively, our data provide new insights on the mechanistic understanding of ATP-independent proteasome degradation in bacteria.

It was reported the human-exclusive pathogen Mycobacterium (M.) tuberculosis secretes cytokinins, which previously had only been known as plant hormones. Cytokinins are adenine-based signaling molecules in plants that have never been shown to participate in signal transduction in other kingdoms of life. Here, we show that cytokinins induce the strong expression of the M. tuberculosis gene, Rv0077c. We found that a TetR-like transcriptional regulator, Rv0078, directly repressed expression of the Rv0077c gene. Strikingly, cytokinin-induced expression of Rv0077c resulted in a loss of acid-fast staining of M. tuberculosis. Although acid-fast staining is thought to be associated with changes in the bacterial cell envelope and virulence, Rv0077c-induced loss of acid-fastness did not affect antibiotic susceptibility or attenuate bacterial growth in mice. Collectively, these findings show cytokinins signal transcriptional changes that affect the M. tuberculosis cell envelope, and that cytokinin signaling is no longer limited to the kingdom plantae.

The ALDH2*2 (rs671) allele is one of the most common genetic mutations in humans, yet the positive evolutionary selective pressure to maintain this mutation is unknown, despite its association with adverse health outcomes. ALDH2 is responsible for the detoxification of metabolically produced aldehydes, including lipid-peroxidation end products derived from inflammation. Here, we demonstrate that host-derived aldehydes 4-hydroxynonenal (4HNE), malondialdehyde (MDA), and formaldehyde (FA), all of which are metabolized by ALDH2, are directly toxic to the bacterial pathogens Mycobacterium tuberculosis and Francisella tularensis at physiological levels. We find that Aldh2 expression in macrophages is decreased upon immune stimulation, and that bone marrow-derived macrophages from Aldh2-/- mice contain elevated aldehydes relative to wild-type mice. Macrophages deficient for Aldh2 exhibited enhanced control of Francisella infection. Finally , mice lacking Aldh2 demonstrated increased resistance to pulmonary infection by M. tuberculosis , including in a hypersusceptible model of tuberculosis, and were also resistant to Francisella infection. We hypothesize that the absence of ALDH2 contributes to the host's ability to control infection by pathogens such as M. tuberculosis and F. tularensis , and that host-derived aldehydes act as antimicrobial factors during intracellular bacterial infections.Aldehydes produced by host cells contribute to the control of bacterial infections.

ABSTRACT Cytokinins are adenine-based hormones that have been well-characterized in plants but are also made by bacteria, including the human-exclusive pathogen Mycobacterium tuberculosis . In M. tuberculosis , cytokinins activate transcription of an operon that affects the bacterial cell envelope. In plants, cytokinins are broken down by dedicated enzymes called cytokinin oxidases into adenine and various aldehydes. In proteasome degradation-deficient M. tuberculosis , the cytokinin-producing enzyme Log accumulates, resulting in the buildup of at least one cytokinin-associated aldehyde. We therefore hypothesized that M. tuberculosis encodes one or more cytokinin oxidases. Using a homology-based search for homologs of a plant cytokinin oxidase, we identified Rv3719 and a putative cytokinin-specific binding protein, Rv3718c. Deletion of the locus encoding these proteins did not have a measurable effect on in vitro growth. Nonetheless, Rv3718c bound a cytokinin with high specificity. Our data thus support a model whereby cytokinins play one or more roles in mycobacterial physiology. IMPORTANCE Numerous bacterial species encode cytokinin-producing enzymes, the functions of which are almost completely unknown. This work contributes new knowledge to the cytokinin field for bacteria, and also revealed further conservation of cytokinin-associated proteins between plants and prokaryotes.

The human pathogen Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis) encodes a proteasome that carries out regulated degradation of bacterial proteins. It has been proposed that the proteasome contributes to nitrogen metabolism in M. tuberculosis, although this hypothesis had not been tested. Upon assessing M. tuberculosis growth in several nitrogen sources, we found that a mutant strain lacking the Mycobacterium proteasomal activator Mpa was unable to use nitrate as a sole nitrogen source due to a specific failure in the pathway of nitrate reduction to ammonium. We found that the robust activity by the nitrite reductase complex NirBD depended on expression of the groEL/groES chaperonin genes, which are regulated by the repressor HrcA. We identified HrcA as a likely proteasome substrate, and propose that the degradation of HrcA is required for the full expression of chaperonin genes. Furthermore, our data suggest that degradation of HrcA, along with numerous other proteasome substrates, is enhanced during growth in nitrate to facilitate the de-repression of the chaperonin genes. Importantly, growth in nitrate is the first example of a specific condition that reduces the steady-state levels of numerous proteasome substrates in M. tuberculosis.

Type I interferons (IFNs) are essential for anti-viral immunity, but often impair protective immune responses during bacterial infections. How type I IFNs are strongly induced during viral infections, and yet are appropriately restrained during bacterial infections, remains poorly understood. The Super susceptibility to tuberculosis 1 ( Sst1 ) locus in mice affects resistance to many bacterial infections. Here we provide evidence that Sp140 is a gene encoded within the Sst1 locus that functions to repress the expression of type I IFNs during bacterial infections. We generated Sp140 -/- mice and find they are susceptible to infection by diverse bacteria, including Listeria monocytogenes , Legionella pneumophila , and Mycobacterium tuberculosis . Susceptibility of Sp140 -/- mice to bacterial infection was rescued by crosses to mice lacking the type I IFN receptor ( Ifnar -/-). Our results implicate Sp140 as an important repressor of type I IFNs that is essential for resistance to bacterial infections.