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.

Abstract Transporter research primarily relies on the canonical substrates of well-established transporters. This approach has limitations when studying transporters for the low-abundant micromolecules, such as micronutrients, and may not reveal physiological functions of the transporters. While D-serine, a trace enantiomer of serine in the circulation, was discovered as an emerging biomarker of kidney function, its transport mechanisms in the periphery remain unknown. Here, using a multi-hierarchical approach from body fluids to molecules, combining multi-omics, cell-free synthetic biochemistry, and ex vivo transport analyses, we have identified two types of renal D-serine transport systems. We revealed that the small amino acid transporter ASCT2 serves as a D-serine transporter previously uncharacterized in the kidney and discovered D-serine as a noncanonical substrate of the sodium-coupled monocarboxylate transporters (SMCTs). These two systems are physiologically complementary, but ASCT2 dominates the role in the pathological condition. Our findings not only shed light on renal D-serine transport, but also clarify the importance of non-canonical substrate transport. This study provides a framework for investigating multiple transport systems of various trace micromolecules under physiological conditions and in multifactorial diseases.

Neural development requires metabolic adaptations that coincide with a functional shift from differentiation to neurotransmission. Serine metabolism provides essential metabolites for cellular growth and proliferation, and also produces neurotransmitters. However, how serine metabolism coordinates functional development of neurons remains unclear. Here, we report that neurons undergo metabolic transitions through an enantiomeric shift of serine during functional maturation. Developmental alterations of neural transcriptional profiles and serine enantiomers indicated that L- to D-serine conversion is a signature of neural maturation. Metabolomic analysis of neural progenitors revealed that D-serine decreases glycine synthesis, thereby suppressing one-carbon metabolism, in which L-serine is a crucial carbon donor. D-serine inhibits one-carbon metabolism by competing with transport of cytosolic L-serine to mitochondria, which restrains proliferation and triggers apoptosis of neural progenitors as well as neural tumor cells, but not mature neurons, in vitro and ex vivo. Thus, our findings suggest that the metabolic transition from L- to D-serine during neural maturation inhibits one-carbon metabolism essential for proliferation of immature neural cells, leading to acquisition of characteristics tailored to functional development toward neurotransmission.