Abstract Systemic infections can yield distinct outcomes in different tissues. In mice, intravenous inoculation of E . coli leads to bacterial replication within liver abscesses while other organs such as the spleen largely clear the pathogen. Abscesses are macroscopic necrotic regions that comprise the vast majority of the bacterial burden in the animal, yet little is known about the processes underlying their formation. Here, we characterize E. coli liver abscesses and identify host determinants of abscess susceptibility. Spatial transcriptomics revealed that liver abscesses are associated with heterogenous immune cell clusters comprised of macrophages, neutrophils, dendritic cells, innate lymphoid cells, and T-cells that surround necrotic regions of the liver. Susceptibility to liver abscesses is heightened in the C57BL/6 lineage, particularly in C57BL/6N females. Backcross analyses demonstrated that abscess susceptibility is a polygenic trait inherited in a sex-dependent manner without direct linkage to sex chromosomes. As early as one day post infection, the magnitude of E. coli replication in the liver distinguishes abscess-susceptible and abscess-resistant strains of mice, suggesting that the immune pathways that regulate abscess formation are induced within hours. We characterized the early hepatic response with single-cell RNA sequencing and found that mice with reduced activation of early inflammatory responses, such as those lacking the LPS receptor TLR4, are resistant to abscess formation. Experiments with barcoded E. coli revealed that TLR4 mediates a tradeoff between abscess formation and bacterial clearance. Together, our findings define hallmarks of E. coli liver abscess formation and suggest that hyperactivation of the hepatic innate immune response drives liver abscess susceptibility. Importance Animal models of disseminating bacterial infections are critical for developing therapeutic interventions. Following systemic dissemination in mice, E. coli undergo dramatic replication within abscesses in the liver but not in other organs. Although liver abscesses are the largest reservoir of bacteria within the animal, the processes that lead to abscess formation are not known. Here, we characterize E. coli liver abscess formation and identify several determinants of abscess susceptibility, including sex, mouse genotype, and innate immune factors. By combining spatial and single-cell transcriptomics with genetic and phenotypic analyses, we delineate critical host pathways that underlie abscess formation. Our findings define several avenues for future studies to unravel how abscess susceptibility determinants interact to modulate clearance of systemic infections and govern tissue-specific bacterial replication.

Bacteremia, a leading cause of death, generally arises after bacteria establish infection in a particular tissue and transit to secondary sites. Studying dissemination from primary sites by solely measuring bacterial burdens does not capture the movement of individual clones. Here, by barcoding Klebsiella pneumoniae, a leading cause of bacteremia, we tracked pathogen dissemination following pneumonia. Variability in organ bacterial burdens was attributable to two distinct dissemination patterns distinguished by the extent of clonal expansion in the lungs. In metastatic dissemination, bacterial clones underwent heterogeneous clonal expansion within the lung and the dominant clones spread to secondary organs. In direct dissemination, bacterial clones exited the lungs without clonal expansion, leading to lower burdens in systemic sites. We uncover bacterial and host factors that govern these two modes of dissemination. Our data reveal unexpected heterogeneity in the dynamics of Klebsiella bacteremia and define a new paradigm for understanding within-host bacterial dissemination.

ABSTRACT Pseudomonas aeruginosa is a common nosocomial pathogen and a major cause of morbidity and mortality in hospitalized patients. Multiple reports highlight that P. aeruginosa gastrointestinal colonization may precede systemic infections by this pathogen. Gaining a deeper insight into the dynamics of P. aeruginosa gastrointestinal carriage is an essential step in managing gastrointestinal colonization and could contribute to preventing bacterial transmission and progression to systemic infection. Here, we present a clinically relevant mouse model relying on parenteral vancomycin pretreatment and a single orogastric gavage of a controlled dose of P. aeruginosa. Robust carriage was observed with multiple clinical isolates, and carriage persisted for up to 60 days. Histological and microbiological examination of mice indicated that this model indeed represented carriage and not infection. We then used a barcoded P. aeruginosa library along with the sequence tag-based analysis of microbial populations (STAMPR) analytic pipeline to quantify bacterial population dynamics and bottlenecks during the establishment of the gastrointestinal carriage. Analysis indicated that most of the P. aeruginosa population was rapidly eliminated in the stomach, but the few bacteria that moved to the small intestine and the caecum expanded significantly. Hence, the stomach constitutes a significant barrier against gastrointestinal carriage of P. aeruginosa, which may have clinical implications for hospitalized patients. IMPORTANCE While P. aeruginosa is rarely part of the normal human microbiome, carriage of the bacterium is quite frequent in hospitalized patients and residents of long-term care facilities. P. aeruginosa carriage is a precursor to infection. Options for treating infections caused by difficult-to-treat P. aeruginosa strains are dwindling, underscoring the urgency to better understand and impede pre-infection stages, such as colonization. Here, we use vancomycin-treated mice to model antibiotic-treated patients who become colonized with P. aeruginosa in their gastrointestinal tracts. We identify the stomach as a major barrier to the establishment of gastrointestinal carriage. These findings suggest that efforts to prevent gastrointestinal colonization should focus not only on judicious use of antibiotics but also on investigation into how the stomach eliminates orally ingested P. aeruginosa .

RNA-binding proteins play important roles in bacterial gene regulation through interactions with both coding and non-coding RNAs. ProQ is a FinO-domain protein that binds a large set of RNAs in Escherichia coli , though the details of how ProQ binds these RNAs remain unclear. In this study, we used a combination of in vivo and in vitro binding assays to confirm key structural features of E. coli ProQ's FinO domain and explore its mechanism of RNA interactions. Using a bacterial three-hybrid assay, we performed forward genetic screens to confirm the importance of the concave face of ProQ in RNA binding. Using gel shift assays, we directly probed the contributions of ten amino acids on ProQ binding to seven RNA targets. Certain residues (R58, Y70, and R80) were found to be essential for binding of all seven RNAs, while substitutions of other residues (K54 and R62) caused more moderate binding defects. Interestingly, substitutions of two amino acids (K35, R69), which are evolutionarily variable but adjacent to conserved residues, showed varied effects on the binding of different RNAs; these may arise from the differing sequence context around each RNA's terminator hairpin. Together, this work confirms many of the essential RNA-binding residues in ProQ initially identified in vivo and supports a model in which residues on the conserved concave face of the FinO domain such as R58, Y70 and R80 form the main RNA-binding site of E. coli ProQ, while additional contacts contribute to the binding of certain RNAs.

ABSTRACT Bacterial infections can induce exuberant immune responses that can damage host tissues. Previously, we demonstrated that systemic Escherichia coli infection in mice causes tissue damage in the liver. This liver necrosis is associated with the expression of endogenous retroviruses, chromosomally integrated retroviruses that encode a reverse transcriptase. Furthermore, nucleotide/nucleoside reverse transcriptase inhibitors (NRTIs) completely prevent tissue damage and subsequent bacterial growth within necrotic lesions. Since liver necrosis is linked to heightened systemic inflammatory responses, we hypothesized that NRTIs diminish inflammation caused by E. coli infection and may also have broad impacts on the systemic immune response to bacterial pathogens. Here, we tested this hypothesis by characterizing the effects of NRTIs on the innate immune response to bacteria. In the liver, NRTI administration following E. coli inoculation reduced the expression of a large repertoire of proinflammatory transcripts. NRTIs also had systemic anti-inflammatory effects, including reducing proinflammatory cytokine levels in serum in response to E. coli in different mouse strains. The anti-inflammatory effects of NRTIs were also apparent in response to lipopolysaccharide (LPS) and Staphylococcus aureus , suggesting that the molecular mechanisms underlying the immunomodulatory functions of NRTIs are likely conserved across distinct immune signaling pathways. Moreover, in a model of lethal LPS shock, NRTI administration prevented hypothermia and death. Together, our observations reveal that NRTIs can potently impede systemic inflammatory responses during Gram-positive and Gram-negative bacterial infections. Our findings lay the groundwork for further investigation of the therapeutic scope of NRTIs and the mechanisms underlying their anti-inflammatory effects across non-retroviral infectious diseases. IMPORTANCE Inflammatory responses are critical for host control of bacterial infection, but excessive inflammation can damage host tissues and lead to sepsis. Understanding how innate immune responses are controlled during infection is important for developing new approaches to dampen excessive inflammation. In previous work, we found that tissue damage caused by excessive inflammatory responses may be driven by endogenous reverse transcriptases. Here we demonstrate that treatment of mice with reverse transcriptase inhibitors leads to broad reductions in systemic proinflammatory responses during bacterial infections and can protect mice from acute death in a lethal model of sepsis. Our findings indicate that uncovering the mechanisms underlying the anti-inflammatory functions of reverse transcriptase inhibitors may lead to new therapeutics for bacterial infectious diseases.