Defining the gene products that play an essential role in an organism's functional repertoire is vital to understanding the system level organization of living cells. We used a genetic footprinting technique for a genome-wide assessment of genes required for robust aerobic growth of Escherichia coli in rich media. We identified 620 genes as essential and 3,126 genes as dispensable for growth under these conditions. Functional context analysis of these data allows individual functional assignments to be refined. Evolutionary context analysis demonstrates a significant tendency of essential E. coli genes to be preserved throughout the bacterial kingdom. Projection of these data over metabolic subsystems reveals topologic modules with essential and evolutionarily preserved enzymes with reduced capacity for error tolerance.

ABSTRACT The NLRP1 inflammasome is a multiprotein complex that is a potent activator of inflammation. Mouse NLRP1B can be activated through proteolytic cleavage by the bacterial Lethal Toxin (LeTx) protease, resulting in degradation of the N-terminal domains of NLRP1B and liberation of the bioactive C-terminal domain, which includes the caspase activation and recruitment domain (CARD). However, a natural pathogen-derived effector that can activate human NLRP1 remains unknown. Here, we use an evolutionary model to identify several proteases from diverse picornaviruses that cleave human NLRP1 within a rapidly evolving region of the protein, leading to host-specific and virus-specific activation of the NLRP1 inflammasome. Our work demonstrates that NLRP1 acts as a “tripwire” to recognize the enzymatic function of a wide range of viral proteases, and suggests that host mimicry of viral polyprotein cleavage sites can be an evolutionary strategy to activate a robust inflammatory immune response.

Leucine Rich Repeat Kinase 1 and 2 (LRRK1 and LRRK2) are homologs in the ROCO family of proteins in humans. Despite their shared domain architecture and involvement in intracellular trafficking, their disease associations are strikingly different: LRRK2 is involved in familial Parkinson’s Disease (PD) while LRRK1 is linked to bone diseases. Furthermore, PD-linked mutations in LRRK2 are typically autosomal dominant gain-of-function while those in LRRK1 are autosomal recessive loss-of-function. To understand these differences, we solved cryo-EM structures of LRRK1 in its monomeric and dimeric forms. Both differ from the corresponding LRRK2 structures. Unlike LRRK2, which is sterically autoinhibited as a monomer, LRRK1 is sterically autoinhibited in a dimer-dependent manner. LRRK1 has an additional level of autoinhibition that prevents activation of the kinase and is absent in LRRK2. Finally, we place the structural signatures of LRRK1 and LRRK2 in the context of the evolution of the LRRK family of proteins.

Understanding the molecular basis of innate immune evasion by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is an important consideration for designing the next wave of therapeutics. Here, we investigate the role of the nonstructural protein 16 (NSP16) of SARS-CoV-2 in infection and pathogenesis. NSP16, a ribonucleoside 2'- O methyltransferase (MTase), catalyzes the transfer of a methyl group to mRNA as part of the capping process. Based on observations with other CoVs, we hypothesized that NSP16 2'- O MTase function protects SARS-CoV-2 from cap-sensing host restriction. Therefore, we engineered SARS-CoV-2 with a mutation that disrupts a conserved residue in the active site of NSP16. We subsequently show that this mutant is attenuated both in vitro and in vivo , using a hamster model of SARS-CoV-2 infection. Mechanistically, we confirm that the NSP16 mutant is more sensitive to type I interferon (IFN-I) in vitro . Furthermore, silencing IFIT1 or IFIT3, IFN-stimulated genes that sense a lack of 2'- O methylation, partially restores fitness to the NSP16 mutant. Finally, we demonstrate that sinefungin, a methyltransferase inhibitor that binds the catalytic site of NSP16, sensitizes wild-type SARS-CoV-2 to IFN-I treatment. Overall, our findings highlight the importance of SARS-CoV-2 NSP16 in evading host innate immunity and suggest a possible target for future antiviral therapies.Similar to other coronaviruses, disruption of SARS-CoV-2 NSP16 function attenuates viral replication in a type I interferon-dependent manner. In vivo , our results show reduced disease and viral replication at late times in the hamster lung, but an earlier titer deficit for the NSP16 mutant (dNSP16) in the upper airway. In addition, our results confirm a role for IFIT1, but also demonstrate the necessity of IFIT3 in mediating dNSP16 attenuation. Finally, we show that targeting NSP16 activity with a 2'- O methyltransferase inhibitor in combination with type I interferon offers a novel avenue for antiviral development.

Ribosomes are highly abundant cellular machines that perform the essential task of translating the genetic code into proteins. Cellular translation activity is finely tuned and proteostasis insults, such as those incurred upon viral infection, activate stress signaling pathways that result in translation reprogramming. Viral infection selectively shuts down host mRNA while redistributing ribosomes for selective translation of viral mRNAs. The intricacies of this selective ribosome shuffle from host to viral mRNAs are poorly understood. Here, we uncover a role for the ribosome associated quality control (RQC) factor ZNF598, a sensor for collided ribosomes, as a critical factor for vaccinia virus mRNA translation. Collided ribosomes are sensed by ZNF598, which ubiquitylates 40S subunit proteins uS10 and eS10 and thereby initiates RQC-dependent nascent chain degradation and ribosome recycling. We show that vaccinia infection in human cells enhances uS10 ubiquitylation indicating an increased burden on RQC pathways during viral propagation. Consistent with an increased RQC demand, we demonstrate that vaccinia virus replication is impaired in cells which either lack ZNF598 or contain a ubiquitylation deficient version of uS10. Using SILAC-based proteomics and concurrent RNAseq analysis, we determine that host translation of vaccinia virus mRNAs is compromised in cells that lack RQC activity as compared to control cells whereas there was little evidence of differences in host or viral transcription. Additionally, vaccinia virus infection resulted in a loss of cellular RQC activity, suggesting that ribosomes engaged in viral protein production recruit ZNF598 away from its function in host translation. Thus, co-option of ZNF598 by vaccinia virus plays a critical role in translational reprogramming that is needed for optimal viral propagation.

Abstract Viruses interact with the intracellular transport machinery to promote viral replication. Such host-virus interactions can drive host gene adaptation, leaving signatures of pathogen-driven evolution in host genomes. Here we leverage these genetic signatures to identify the dynein activating adaptor, ninein-like (NINL), as a critical component in the antiviral innate immune response and as a target of viral antagonism. Unique among genes encoding components of active dynein complexes, NINL has evolved under recurrent positive (diversifying) selection, particularly in its carboxy-terminal cargo binding region. Consistent with a role for NINL in host immunity, we demonstrate that NINL knockout cells exhibit an impaired response to interferon, resulting in increased permissiveness to viral replication. Moreover, we show that proteases encoded by diverse picornaviruses and coronaviruses cleave and disrupt NINL function in a host- and virus-specific manner. Our work reveals the importance of NINL in the antiviral response and the utility of using signatures of host-virus conflicts to uncover new components of antiviral immunity and targets of viral antagonism.

Abstract Cells use sophisticated molecular circuits to interpret and respond to extracellular signal factors, such as hormones and cytokines, which are often released in a temporally varying fashion. In this study, we focus on type I interferon (IFN) signaling in human epithelial cells and combine microfluidics, time-lapse microscopy, and computational modeling to investigate how the IFN-responsive regulatory network operates in single cells to process repetitive IFN stimulation. We found that IFN-α pretreatments lead to opposite effects, priming versus desensitization, depending on the input durations. These effects are governed by a regulatory network composed of a fast-acting positive feedback loop and a delayed negative feedback loop, mediated by upregulation of ubiquitin-specific peptidase 18 (USP18). We further revealed that USP18 upregulation can only be initiated at the G1 and early S phases of cell cycle upon the treatment onset, resulting in heterogeneous and delayed induction kinetics in single cells. This cell cycle gating provides a temporal compartmentalization of feedback control processes, enabling duration-dependent desensitization to repetitive stimulations. Moreover, our results, highlighting the importance of IFN dynamics, may suggest time-based strategies for enhancing the effectiveness of IFN pretreatment in clinical applications against viruses, such as SARS-CoV-2.

Receptor interacting protein kinases (RIPK) RIPK1 and RIPK3 play important roles in diverse innate immune pathways. Despite this, some RIPK1/3-associated proteins are absent in specific vertebrate lineages, suggesting that some RIPK1/3 functions are conserved while others are more evolutionarily labile. Here, we perform comparative evolutionary analyses of RIPK1-5 and associated proteins in vertebrates to identify lineage-specific rapid evolution of RIPK3 and RIPK1 and recurrent loss of RIPK3-associated proteins. Despite this, diverse vertebrate RIPK3 proteins are able to activate NF-κB and cell death in human cells. Additional analyses revealed a striking conservation of the RIP homotypic interaction motif (RHIM) in RIPK3, as well as other human RHIM-containing proteins. Interestingly, diversity in the RIPK3 RHIM can tune activation of NF-κB while retaining the ability to activate cell death. Altogether, these data suggest that NF-κB activation is a core, conserved function of RIPK3, and the RHIM can tailor RIPK3 function to specific needs within and between species.

Abstract Hosts have evolved diverse strategies to respond to microbial infections, including the detection of pathogen-encoded proteases by inflammasome-forming sensors such as NLRP1 and CARD8. Here, we find that the 3CL protease (3CL pro ) encoded by diverse coronaviruses, including SARS-CoV-2, cleaves a rapidly evolving region of human CARD8 and activates a robust inflammasome response. CARD8 is required for cell death and the release of pro-inflammatory cytokines during SARS-CoV-2 infection. We further find that natural variation alters CARD8 sensing of 3CL pro , including 3CL pro -mediated antagonism rather than activation of megabat CARD8. Likewise, we find that a single nucleotide polymorphism (SNP) in humans reduces CARD8’s ability to sense coronavirus 3CL pros , and instead enables sensing of 3C proteases (3C pro ) from select picornaviruses. Our findings demonstrate that CARD8 is a broad sensor of viral protease activities and suggests that CARD8 diversity contributes to inter- and intra-species variation in inflammasome-mediated viral sensing and immunopathology.

Natural selection drives acquisition of organismal resilience traits to protect against adverse environments. Horizontal gene transfer (HGT) is an important evolutionary mechanism for the acquisition of novel traits, including metazoan acquisition of functions in immunity, metabolism, and reproduction via interdomain HGT (iHGT) from bacteria. We report that the nematode gene rml-3, which was acquired by iHGT from bacteria, enables exoskeleton resilience and protection against environmental toxins in C. elegans. Phylogenetic analysis reveals that diverse nematode RML-3 proteins form a single monophyletic clade most highly similar to bacterial enzymes that biosynthesize L-rhamnose to build cell wall polysaccharides. C. elegans rml-3 is regulated in developing seam cells by heat stress and stress-resistant dauer stage. Importantly, rml-3 deficiency impairs cuticle integrity, barrier functions and organismal stress resilience, phenotypes that are rescued by exogenous L-rhamnose. We propose that iHGT of an ancient bacterial rml-3 homolog enables L-rhamnose biosynthesis in nematodes that facilitates cuticle integrity and organismal resilience in adaptation to environmental stresses during evolution. These findings highlight the remarkable contribution of iHGT on metazoan evolution that is conferred by the domestication of bacterial genes.