Transplanting the gut microbiota of pathogen-free mice into germ-free mice improves skeletal muscle mass and strength.

Summary Intracellular bacterial pathogens inject effector proteins into host cells to hijack diverse cellular processes and promote their survival and proliferation. To systematically map effector-host protein-protein interactions (PPIs) during infection, we generated a library of 32 Salmonella enterica serovar Typhimurium ( S Tm) strains expressing chromosomally encoded affinity-tagged effector proteins, and quantified PPIs in macrophages and epithelial cells by Affinity-Purification Quantitative Mass-Spectrometry. Thereby, we identified 25 previously described and 421 novel effector-host PPIs. While effectors converged on the same host cellular processes, most had multiple targets, which often differed between cell types. Using reciprocal co-immunoprecipitations, we validated 13 out of 22 new PPIs. We then used this host-pathogen physical interactome resource to demonstrate that SseJ and SseL collaborate in redirecting cholesterol to the Salmonella Containing Vacuole (SCV) via NPC1, PipB directly recruits the organelle contact site protein PDZD8 to the SCV, and SteC promotes actin bundling by directly phosphorylating formin-like proteins.

Abstract Drug combinations present a powerful strategy to tackle antimicrobial resistance, but have not been systematically tested in many bacterial species. Here, we used an automated high-throughput setup to profile ∼ 8000 combinations between 65 antibacterial drugs in three Gram-positive species: the model species, Bacillus subtilis and two prominent pathogens, Staphylococcus aureus and Streptococcus pneumoniae . Thereby, we recapitulate previously known drug interactions, but also identify ten times more interactions than previously reported in the pathogen S. aureus , including two synergies that were also effective in multi-drug resistant clinical S. aureus isolates in vitro and in vivo . Interactions were largely species-specific and mostly synergistic for drugs targeting the same cellular process, as observed also for Gram-negative species 1 . Yet, the dominating synergies are clearly distinct between Gram-negative and Gram-positive species, and are driven by different bottlenecks in drug uptake and vulnerabilities of their cell surface structures. To further explore interactions of commonly prescribed non-antibiotic drugs with antibiotics, we tested 2728 of such combinations in S. aureus , detecting a plethora of unexpected antagonisms that could compromise the efficacy of antimicrobial treatments in the age of polypharmacy. We uncovered even more synergies than antagonisms, some of which we could demonstrate as effective combinations in vivo against multi-drug resistant clinical isolates. Among them, we showed that the antiaggregant ticagrelor interferes with purine metabolism and changes the surface charge of S. aureus, leading to strong synergies with cationic antibiotics. Overall, this exemplifies the untapped potential of approved non-antibacterial drugs to be repurposed as antibiotic adjuvants. All data can be browsed through an interactive interface ( https://apps.embl.de/combact/ ).

Intracellular bacterial pathogens hijack the protein machinery of infected host cells to evade their defenses and cultivate a favorable intracellular niche. The intracellular pathogen Salmonella enterica subsp. Typhimurium (STm) achieves this by injecting a cocktail of effector proteins into host cells that modify the activity of target host proteins. Yet, proteome-wide approaches to systematically map changes in host protein function during infection have remained challenging. Here we adapted a functional proteomics approach - Thermal-Proteome Profiling (TPP) - to systematically assess proteome-wide changes in host protein abundance and thermal stability throughout an STm infection cycle. By comparing macrophages treated with live or heat-killed STm, we observed that most host protein abundance changes occur independently of STm viability. In contrast, a large portion of host protein thermal stability changes were specific to infection with live STm. This included pronounced thermal stability changes in proteins linked to mitochondrial function (Acod1/Irg1, Cox6c, Samm50, Vdac1, and mitochondrial respiratory chain complex proteins), as well as the interferon-inducible protein with tetratricopeptide repeats, Ifit1. Integration of our TPP data with a publicly available STm-host protein-protein interaction database led us to discover that the secreted STm effector kinase, SteC, thermally destabilizes and phosphorylates the ribosomal preservation factor Serbp1. In summary, this work emphasizes the utility of measuring protein thermal stability during infection to accelerate the discovery of novel molecular interactions at the host-pathogen interface.

The molecular architecture and function of the Gram-negative bacterial cell envelope is dictated by protein composition and localization. Proteins that localize to the inner (IM) and outer (OM) membranes of Gram-negative bacteria play critical and distinct roles in cellular physiology, however, approaches to systematically interrogate their distribution across both membranes and the soluble cell fraction are lacking. We employed multiplexed quantitative mass spectrometry to assess membrane protein localization in a proteome-wide fashion by separating IM and OM vesicles from exponentially growing E. coli K-12 cells on a sucrose density gradient. The migration patterns for >1600 proteins were classified in an unbiased manner, accurately recapitulating decades of knowledge in membrane protein localization in E. coli. For 559 proteins that are currently annotated as peripherally associated to the IM (Orfanoudaki and Economou, 2014) and display potential for dual localization to either the IM or cytoplasm, we could allocate 110 to the IM and 206 as soluble based on their fractionation patterns. In addition, we uncovered 63 cases, in which our data disagreed with current localization annotation in protein databases. For 42 of them, we were able to find supportive evidence for our localization findings in literature. We anticipate our systems-level analysis of the E. coli membrane proteome will serve as a useful reference dataset to query membrane protein localization, as well as provide a novel methodology to rapidly and systematically map membrane protein localization in more poorly characterized Gram-negative species.

The coordinated regulation of protein kinases is a rapid mechanism that integrates diverse cues and swiftly determines appropriate cellular responses. However, our understanding of cellular decision-making has been limited by the small number of simultaneously monitored phospho-regulatory events. Here, we have estimated changes in activity in 215 human kinases in 399 conditions from a compilation of nearly 3 million phosphopeptide quantifications. This atlas identifies commonly regulated kinases as those that are central in the signaling network and defines the logic relationships between kinase pairs. Co-regulation along the conditions predicts kinase-complex and kinase-substrate associations. Additionally, the kinase regulation profile acts as a molecular fingerprint to identify related and opposing signaling states. Using this atlas, we identified essential mediators of stem cell differentiation, modulators of Salmonella infection and new targets of AKT1. This provides a global view of human phosphorylation-based signaling and the necessary context to better understand kinase driven decision-making.

Immune cells need to swiftly and effectively respond to invading pathogens. This response relies heavily on rapid protein synthesis and accurate cellular targeting to ensure pathogen destruction. In return, pathogens intercept this response to ensure their survival and proliferation. To gain insight into this dynamic interface, we combined click-chemistry with pulsed stable isotope labeling of amino acids (pSILAC-AHA) in cell culture to quantify the newly synthesised host proteome during macrophage infection with the model intracellular bacterial pathogen, Salmonella enterica Typhimurium (STm). We monitored newly synthesised proteins across different host cell compartments and infection stages, and used available proteomics data in response to lipopolysaccharide to deconvolute the STm-specific response. Within this rich resource, we detected aberrant trafficking of lysosomal proteases to the extracellular space and the nucleus, the latter of which correlated with signatures of cell death. Pharmacological cathepsin inhibition suppressed Caspase-11 dependent macrophage cell death, thus demonstrating an active role for cathepsins during STm induced pyroptosis. Our study illustrates that resolving host proteome dynamics during infection can drive the discovery of biological mechanisms at the host-microbe interface.

In animals, commensal microbes modulate various physiological functions, including behavior. While microbiota exposure is required for normal behavior in mammals, it is not known how widely this dependency is present in other animal species. We proposed the hypothesis that the microbiome has a major influence on the behavior of the vinegar fly (Drosophila melanogaster), a major invertebrate model organism. Several assays were used to test the contribution of the microbiome on some well-characterized behaviors: defensive behavior, sleep, locomotion, and courtship in microbe-bearing, control flies and two generations of germ-free animals. None of the behaviors were largely influenced by the absence of a microbiome, and the small or moderate effects were not generalizable between replicates and/or generations. These results refute the hypothesis, indicating that the Drosophila microbiome does not have a major influence over several behaviors fundamental to the animal's survival and reproduction. The impact of commensal microbes on animal behaviour may not be broadly conserved.