Abstract Microsporidia are a group of intracellular pathogens that actively manipulate host cell biological processes to facilitate their intracellular niche. Apoptosis is an important defense mechanism by which host cell control intracellular pathogens. Microsporidia modulating host cell apoptosis has been reported previously, however the molecular mechanism is not yet clear. In this report, we describe that the microsporidia Nosema bombycis inhibits apoptosis of Bombyx mori cells through a secreted protein NbSPN14, which is a serine protease inhibitor (Serpin). An immunofluorescent assay demonstrated that upon infection with N. bombycis , NbSPN14 was initially found in the B. mori cell cytoplasm and then became enriched in the host cell nucleus. Overexpression and RNA-interference (RNAi) of NbSPN14 in B. mori’ embryo cells confirmed that NbSPN14 inhibited host cell apoptosis. Immunofluorescent and Co-IP assays verified the co-localization and interaction of NbSPN14 with the BmICE, the caspase 3 homolog in B. mori . Knocking out of BmICE or mutating the BmICE-interacting P1 site of NbSPN14, eliminated the localization of NbSPN14 into the host nucleus and prevented the apoptosis-inhibiting effect of NbSPN14, which also proved that the interaction between BmICE and NbSPN14 occurred in host cytoplasm and the NbSPN14 translocation into host cell nucleus is dependent on BmICE. These data elucidate that N. bombycis secretory protein NbSPN14 inhibits host cell apoptosis by directly inhibiting the caspase protease BmICE, which provides an important insight for understanding pathogen-host interactions and a potential therapeutic target for N. bombycis proliferation. Author Summary Microsporidia constitute a class of eukaryotic pathogens that exclusively reside within host cells. The species Nosema bombycis is the first microsporidian identified as the pathogen of silkworm Pébrine disease. In our research, we discovered how N. bombycis cleverly evades the host’s defenses. It has developed a strategy to survive inside host cells by manipulating host cell apoptosis, disarming the host cell’s self-destruct mechanism. In this study, we discovered that the N. bombycis secretes a serine protease inhibitor named NbSPN14, which infiltrates the cytoplasm of the host cell. The NbSPN14 interacts with the executioner Caspase protease BmICE within the silkworm’s apoptotic pathway, effectively neutralizing its apoptoic activity and thus curbing the apoptosis of the host cells.

Accumulated evidences demonstrate that intestinal microbiome can inhibit viral infection. However, our knowledge of the signaling pathways and specific commensal microbes that mediate the antiviral response is limited. Here, a rhabdoviral infection model in zebrafish allows us to investigate the modes of action of microbiome-mediated antiviral effect. We observed that antibiotics-treated and germ-free zebrafish exhibited greater viral infection. Mechanistically, depletion of the intestinal microbiome alters TLR2-Myd88 signaling, and blunts neutrophil response and type I interferon (IFN) production. Moreover, a single commensal bacterium, Cetobacterium somerae, recapitulated TLR2- and type I IFN-dependent antiviral effect of the microbiome in gnotobiotic zebrafish, and C. somerae exopolysaccharides (CsEPS) was the effector molecule that engaged TLR2 to mediate antiviral function. Together, our results suggest a conserved role of intestinal microbiome in regulating type I IFN response among vertebrates, and reveal that the intestinal microbiome inhibits viral infection through a CsEPS-TLR2-type I IFN signaling axis in zebrafish.

Abstract Background Aquaculture plays an important role in global protein supplies and food security. The ban on antibiotics as feed additive proposes urgent need to develop alternatives. Gut microbiota plays important roles in the metabolism and immunity of fish, and has the potential to give rise to novel green inputs for fish culture. However, our understanding of fish gut microbiome is still lacking. Results We identified 575,856 non-redundant genes by metagenomic sequencing of the intestinal content samples of grass carp. Taxonomic and functional annotation of the gene catalogue revealed specificity of the gut microbiome of grass carp compared with mammals. Co-occurrence analysis indicated exclusive relations between the genera belonging to Proteobacteria and Fusobacteria/Firmicutes/Bacteroidetes, suggesting two independent ecological groups of the microbiota. The association pattern of Proteobacteria with the gene expression modules of fish gut and liver was consistently opposite to that of Fusobacteria, Firmicutes and Bacteroidetes, implying differential functionality of Proteobacteria and Fusobacteria/Firmicutes/Bacteroidetes. Therefore, the two ecological groups were divided into two functional groups, i.e., Functional Group 1: Proteobacteria; Functional Group 2: Fusobacteria/Firmicutes/Bacteroidetes. Further analysis revealed that the two functional groups differ in genetic capacity for carbohydrate utilization, virulence factors and antibiotic resistance. Finally, we proposed that the ratio of “Functional Group 2/Functional Group 1” can be used as a biomarker that efficiently reflects the structural and functional characteristics of the microbiota of grass carp. Conclusions The gene catalogue is an important resource for investigating the gut microbiome of grass carp. Multi-omics analysis provides insights into functional implications of the main phyla that comprise the fish microbiota, and shed lights on targets for microbiota regulation.