Abstract Mitochondrial ribosomes are specialized for the synthesis of membrane proteins responsible for oxidative phosphorylation. Mammalian mitoribosomes diverged considerably from the ancestral bacterial ribosomes and feature dramatically reduced ribosomal RNAs. Structural basis of the mammalian mitochondrial ribosome assembly is currently not understood. Here we present eight distinct assembly intermediates of the human large mitoribosomal subunit involving 7 assembly factors. We discover that NSUN4-MTERF4 dimer plays a critical role in the process by stabilizing the 16S rRNA in a conformation that exposes the functionally important regions of rRNA for modification by MRM2 methyltransferase and quality control interactions with a conserved mitochondrial GTPase MTG2 that contacts the sarcin ricin loop and the immature active site. The successive action of these factors leads to the formation of the peptidyl transferase active site of the mitoribosome and the folding of the surrounding rRNA regions responsible for interactions with tRNAs and the small ribosomal subunit.

Abstract The spectinamides are novel, narrow-spectrum semisynthetic analogs of spectinomycin, modified to avoid intrinsic efflux by Mycobacterium tuberculosis . Spectinamides, including lead MBX-4888A (Lee-1810), exhibit promising therapeutic profiles in mice, as single drugs and as partner agents with other anti-tuberculosis antibiotics including rifampin and/or pyrazinamide. To demonstrate that this translates to more effective cure, we first confirmed the role of rifampin, with or without pyrazinamide, as essential to achieve effective bactericidal responses and sterilizing cure in the current standard of care regimen in chronically infected C3HeB/FeJ mice compared to BALB/c mice. Thus, demonstrating added value in testing clinically relevant regimens in murine models of increasing pathologic complexity. Next we show that MBX-4888A, given by injection with the front-line standard of care regimen, is treatment shortening in multiple murine tuberculosis infection models. The positive treatment responses to MBX-4888A combination therapy in multiple mouse models including mice exhibiting advanced pulmonary disease can be attributed to favorable distribution in tissues and lesions, retention in caseum, along with favorable effects with rifampin and pyrazinamide under conditions achieved in necrotic lesions. This study also provides an additional data point regarding the safety and tolerability of spectinamide MBX-4888A in long-term murine efficacy studies.

Human saphenous veins (SV) are widely used as grafts in coronary artery bypass (CABG) surgery but often fail due to neointima proliferation (NP). NP involves complex interplay between vascular smooth muscle cells (VSMC) and fibroblasts. Little is known, however, regarding the transcriptomic and proteomic dynamics of NP. Here, we performed multi-omics analysis in an ex vivo tissue culture model of NP in human SV procured for CABG surgery.Histological examination demonstrated significant elastin degradation and NP (indicated by increased neointima area and neointima/media ratio) in SV subjected to tissue culture. Analysis of data from 73 patients suggest that the process of SV adaptation and NP may differ according to sex and body mass index. RNA sequencing confirmed upregulation of pro-inflammatory and proliferation-related genes during NP and identified novel processes, including increased cellular stress and DNA damage responses, which may reflect tissue trauma associated with SV harvesting. Proteomic analysis identified upregulated extracellular matrix-related and coagulation/thrombosis proteins and downregulated metabolic proteins. Spatial transcriptomics detected transdifferentiating VSMC in the intima on the day of harvesting and highlighted dynamic alterations in fibroblast and VSMC phenotype and behavior during NP. Specifically, we identified new cell subpopulations contributing to NP, including SPP1 + , LGALS3 + VSMC and MMP2 + , MMP14 + fibroblasts.Dynamic alterations of gene and protein expression occur during NP in human SV. Identification of the human-specific molecular and cellular mechanisms may provide novel insight into SV bypass graft disease.

The Nix-TB clinical trial evaluated a new 6-month regimen containing three-oral-drugs; bedaquiline (B), pretomanid (Pa) and linezolid (L) (BPaL regimen) for treatment of tuberculosis (TB). This regimen achieved remarkable results as almost 90% of the multidrug resistant (MDR) or extensively drug resistant (XDR) TB participants were cured but many patients also developed severe adverse effects (AEs). The AEs were associated with the long-term administration of the protein synthesis inhibitor linezolid. Spectinamide 1599 (S) is also a protein synthesis inhibitor of Mycobacterium tuberculosis with an excellent safety profile but which lacks oral bioavailability. Here we hypothesize that inhaled spectinamide 1599, combined with BPa --BPaS regimen--has similar efficacy to that of BPaL regimen while simultaneously avoiding the L-associated AEs. The BPaL and BPaS regimens were compared in the Balb/c and C3HeB/FeJ murine chronic TB efficacy models. After 4-weeks of treatment, both regimens promoted equivalent bactericidal effect in both TB murine models. However, treatment with BPaL resulted in significant weight loss and the complete blood count suggested development of anemia. These effects were not similarly observed in mice treated with BPaS. BPaL treatment also decreased myeloid to erythroid ratio and increased concentration of proinflammatory cytokines in bone marrow compared to mice receiving BPaS regimen. During therapy both regimens improved the lung lesion burden, reduced neutrophil and cytotoxic T cells counts while increased the number of B and helper and regulatory T cells. These combined data suggest that inhaled spectinamide 1599 combined with BPa is an effective TB regimen that avoids L-associated AEs.Tuberculosis (TB) is an airborne infectious disease that spreads via aerosols containing Mycobacterium tuberculosis (Mtb), the causative agent of TB. TB can be cured by administration of 3-4 drugs for 6-9 months but there are limited treatment options for patients infected with multidrug (MDR) and extensively resistant (XDR) strains of Mtb. BPaL is a new all-oral combination of drugs consisting of Bedaquiline (B), Pretomanid (Pa) and Linezolid (L). This regimen was able to cure ∼90% of MDR and XDR TB patients in clinical trials but many patients developed severe adverse effects (AEs) associated to the long-term administration of linezolid. We evaluated a new regimen in which Linezolid in the BPaL regimen was replaced with inhaled spectinamide 1599. In the current study, we demonstrate that 4-weeks of treatment with inhaled spectinamide 1599 in combination with Bedaquiline and Pretomanid has equivalent efficacy to the BPaL drug combination and avoids the L-associated-AEs.

The Antarctic midge, Belgica antarctica , is a wingless, non-biting midge endemic to Antarctica. Larval development requires at least two years, but adult life lasts only two weeks. The nonfeeding adults mate in swarms and females die shortly after oviposition. Eggs are suspended in a gel of unknown composition that is expressed from the female accessory gland. This project characterizes molecular mechanisms underlying reproduction in this midge by examining differential gene expression in whole males, females, and larvae, as well as in male and female accessory glands. Functional studies were used to assess the role of the gel encasing the eggs, as well as the impact of stress on reproductive biology. RNA-seq analyses revealed sex- and development-specific gene sets along with those associated with the accessory glands. Proteomic analyses were used to define the composition of the egg-containing gel, which is generated during multiple developmental stages and derived from both the accessory gland and other female organs. Functional studies indicate the gel provides a larval food source and thermal and dehydration buffer, all of which are critical for viability. Larval dehydration stress directly reduces production of storage proteins and key accessory gland components, a feature that impacts adult reproductive success. Modeling reveals that bouts of dehydration may significantly impact population growth. This work lays a foundation for further examination of reproduction in midges and provides new information related to general reproduction in dipterans. A key aspect is that reproduction and stress dynamics, currently understudied in polar organisms, are likely to prove critical for determining how climate change will alter survivability.

ABSTRACT Detailed knowledge on how bacteria evade antibiotics and eventually develop resistance could open avenues for novel therapeutics and diagnostics. It is thereby key to develop a comprehensive genome-wide understanding of how bacteria process antibiotic stress, and how modulation of the involved processes affects their ability to overcome said stress. Here we undertake a comprehensive genetic analysis of how the major human pathogen Streptococcus pneumoniae responds to 20 antibiotics. We built a genome-wide atlas of drug susceptibility determinants and generate a genetic interaction network that connects cellular processes and genes of unknown function, which we show can be used as therapeutic targets. Pathway analysis reveals a genome-wide “tolerome”, defined by cellular processes that can make a bacterium less susceptible, and often tolerant, in an antibiotic specific manner. Importantly, modulation of these processes confers fitness benefits during active infections under antibiotic selection. Moreover, screening of sequenced clinical isolates demonstrates that mutations in tolerome genes readily evolve and are frequently associated with resistant strains, indicating such mutations may be an important harbinger for the emergence of antibiotic resistance.

ABSTRACT Toxins TcdA and TcdB are the main virulence factors of Clostridioides difficile , a leading cause of hospital-acquired diarrhea. We investigated the therapeutic potential of inhibiting the biosynthesis of TcdA and TcdB. Accordingly, screening of structurally diverse phytochemicals with medicinal properties identified 18β-glycyrrhetinic acid (enoxolone) as an inhibitor of TcdA and TcdB biosynthesis. Enoxolone also inhibited sporulation. In a CDI colitis model, enoxolone when combined with vancomycin protected mice from becoming moribund and the combination was more effective than vancomycin alone, a standard of care antibiotic for CDI. While enoxolone alone reduced the in vivo load of toxins, the monotherapy did not protect mice from CDI. Affinity based proteomics identified ATP synthase subunit alpha (AtpA) and adenine deaminase (Ade) as possible molecular targets for enoxolone. Silencing of mRNA for Ade and AtpA also reduced toxin biosynthesis, while molecular interaction analysis showed that enoxolone directly bound to Ade. Ade converts adenine to hypoxanthine as an early step in the purine salvage pathway. Metabolomics revealed enoxolone caused cells to accumulate adenosine and deplete hypoxanthine and ATP. Accordingly, supplementation with hypoxanthine partly restored toxin production. Enoxolone also impacted phosphate metabolism by reducing the amounts of cellular phosphate. Thus, supplementation with triethyl phosphate as a source of phosphate also partly restored toxin production. When hypoxanthine and triethyl phosphate were combined, toxin production was fully restored in the presence of enoxolone. Taken together, studies with enoxolone revealed metabolic pathways that affect C. difficile toxin production and could represent potential anti-virulence drug targets. IMPORTANCE Clostridioides difficile , a leading cause of hospital-acquired diarrhea, produces two co-regulated toxins (TcdA and TcdB) that are the focus of most anti-virulence discovery efforts for C. difficile infection (CDI). Exploration of an alternate anti-virulence strategy led to the discovery that the licorice metabolite enoxolone inhibits C. difficile virulence by blocking the cellular biosynthesis of TcdA and TcdB. Blockage of toxin production by enoxolone was associated with multiple effects on cells, including inhibiting adenine deaminase and ATP synthase leading to disruption of purine biosynthesis and phosphate metabolism. In mice infected with C. difficile , the efficacy of enoxolone in combination with vancomycin was superior to vancomycin alone. These findings contribute to establishing toxin biosynthesis inhibition as a newer therapeutic concept for CDI.

Histone lysine demethylases (KDMs) are emerging as therapeutic targets in cancer. Development of potent KDM inhibitors may provide additional options for epigenomics-oriented therapies. Using a Time-Resolved Fluorescence Resonance Energy Transfer (TR-FRET) functional demethylation screen assay, in combination with a high-content immunofluorescence imaging phenotypic screen, Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization- Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance mass spectrometry (MALDI-FTICR MS) and Amplified Luminescent Proximity Homogeneous Assay (ALPHA), we identified geldanamycin, an inhibitor of heat shock protein 90 (Hsp90), as a novel inhibitor of JmjC-domain containing demethylases such as KDM4B. We further found that geldanamycin can destabilize the PAX3-FOXO1 fusion oncoprotein, an Hsp90 client, which is a driver of clinically unfavorable alveolar rhabdomyosarcoma (aRMS). We then hypothesized that dual inhibition of PAX3-FOXO1 and epigenetic modifiers of aRMS would have synergistic antitumor activity. We repurposed the geldanamycin analog 17-DMAG to target aRMS and found that 17-DMAG significantly delays tumor growth , extends survival in xenograft mouse models, and inhibits expression of PAX3-FOXO1 targets and multiple oncogenic pathways including MYC, E2F and NOTCH. In addition, the combination of 17-DMAG with conventional chemotherapy or the bromodomain inhibitor JQ1 significantly enhances therapeutic efficacy. In summary, we have identified geldanamycin and 17-DMAG as dual KDM/Hsp90 inhibitors and 17-DMAG is efficacious against PAX3-FOXO1-driven rhabdomyosarcoma.

Abstract Increasing the availability of hepatic low-density lipoprotein receptors (LDLR) remains a major clinical target for reducing circulating plasma LDL cholesterol (LDL-C) levels. Here, we identify the molecular mechanism underlying genome-wide significant associations in the GOLIATH locus with plasma LDL-C levels. We demonstrate that GOLIATH is an E3 ubiquitin ligase that ubiquitinates the LDL Receptor resulting in redistribution away from the plasma membrane. Overexpression of GOLIATH decreases hepatic LDLR and increases plasma LDL-C levels. Silencing of Goliath using antisense oligonucleotides, germline deletion, or AAV-CRISPR in vivo strategies increases hepatic LDLR abundance and availability, thus decreasing plasma LDL-C. In vitro ubiquitination assays demonstrate RING-dependent regulation of LDLR abundance at the plasma membrane. Our studies identify GOLIATH as a novel post-translational regulator of LDL-C levels via modulation of LDLR availability, which is likely important for understanding the complex regulation of hepatic LDLR.

Abstract Rapid hardening is a process that quickly improves an animal’s performance following exposure to a potentially damaging stress. Features of reproduction can be improved by rapid hardening, but little is known about how rapid hardening may contribute to physiological responses in the cold environment of Antarctica. In this study of the Antarctic midge, Belgica antarctica (Diptera, Chironomidae), we examine how rapid hardening in response to dehydration (RDH) or cold (RCH) improves male pre- and post-copulatory function related to fertility when the insects are subsequently subjected to a damaging cold exposure. Neither RDH nor RCH improved survival in response to lethal cold stress, but male activity following sublethal cold exposure was enhanced. Both RCH and RDH improved mating success of males compared to those subjected directly to a sublethal bout of cold. Egg viability decreased following direct exposure to sublethal cold, but improved following RCH and RDH. Sublethal cold exposure reduced expression of four accessory gland proteins, while expression remained high in males exposed to RCH. Though rapid hardening may be cryptic in males, this study shows that it can be revealed by pre- and post-copulatory interactions with females.