SUMMARY While our battle with the COVID-19 pandemic continues, a multitude of Omics data has been generated from patient samples in various studies, which remains to be translated. We conducted a meta-analysis of published transcriptome and proteome profiles of nasal swab and bronchioalveolar lavage fluid (BALF) samples of COVID-19 patients, to shortlist high confidence upregulated host factors. Subsequently, mRNA overexpression of selected genes was validated in nasal swab/BALF samples from a cohort of COVID-19 positive/negative, symptomatic/asymptomatic individuals. Analysis of these data revealed S100 family genes (S100A6, S100A8, S100A9, and S100P) as prognostic markers of COVID-19 disease. Furthermore, Thioredoxin gene (TXN) was identified as a significant upregulated host factor in our overlap analysis. An FDA-approved drug Auranofin, which inhibits Thioredoxin reduction, was found to mitigate SARS-CoV-2 replication in vitro and in vivo in the hamster challenge model. Overall, this study translates COVID-19 host response Big Data into potential clinical interventions.

ABSTRACT Sirtuins are the major players in host immuno-metabolic regulation. However, the role of sirtuins in the modulation of the immune metabolism pertaining to Salmonellosis is largely unknown. Here, our investigation focussed on the role of two important sirtuins, SIRT1 and SIRT3, shedding light on their impact on intracellular Salmonella ’s metabolic switch and pathogenesis establishment. Our study indicated the ability of the live Salmonella Typhimurium to differentially regulate the levels of SIRT1 and SIRT3 for maintaining the high glycolytic metabolism and low fatty acid metabolism in Salmonella . Perturbing SIRT1 or SIRT3 through knockdown or inhibition, resulted in a remarkable shift in intracellular Salmonella’s metabolism to high fatty acid oxidation and low glycolysis. This switch led to decreased proliferation of Salmonella in the macrophages. Further, Salmonella -induced higher levels of SIRT1 and SIRT3 led to a skewed polarization state of the macrophages from a pro- inflammatory M1 state toward an immunosuppressive M2 making it more conducive for the intracellular life of Salmonella . Alongside, governing immunological functions by modulating p65 NF-κB acetylation, SIRT1, and SIRT3 also skew Salmonella- induced host metabolic switch by regulating the acetylation status of HIF-1α and PDHA1. Interestingly, though knock- down of SIRT1/3 attenuated Salmonella proliferation in macrophages, in in vivo mice-model of infection, inhibition or knockdown of SIRT1/3 led to more dissemination and higher organ burden which can be attributed to enhanced ROS and IL-6 production. Our study hence reports for the first time that Salmonella modulates SIRT1/3 levels to maintain its own metabolism for successful pathogenesis.

Abstract Cholesterol derived from the host milieu forms a critical factor for mycobacterial pathogenesis. However, the molecular circuitry co-opted by Mycobacterium tuberculosis (Mtb) to accumulate cholesterol in host cells remains obscure. Here, we report that a functional amalgamation of WNT-responsive histone modifiers G9a (H3K9 methyltransferase) and Sirt6 (H3K9 deacetylase) orchestrate cholesterol build-up in in-vitro and in-vivo models of Mtb infection. Mechanistically, G9a, along with SREBP2, drives the expression of cholesterol biosynthesis and uptake genes; while Sirt6 represses the genes involved in cholesterol efflux. The accumulated cholesterol promotes the expression of antioxidant genes leading to reduced oxidative stress, thereby supporting Mtb survival. In corroboration, loss-of-function of G9a in vitro and in vivo by pharmacological inhibition; or utilization of BMDMs derived from Sirt6 KO mice or in vivo infection in Sirt6 heterozygous mice; hampers host cholesterol accumulation and restricts Mtb burden. These findings shed light on the novel roles of G9a and Sirt6 during Mtb infection and highlight the previously unknown contribution of host cholesterol in potentiating anti-oxidative responses for aiding Mtb survival.

Abstract Moxifloxacin is central to treatment of multidrug-resistant tuberculosis. Effects of moxifloxacin on Mycobacterium tuberculosis redox state were explored to identify strategies for increasing lethality and reducing the prevalence of extensively resistant tuberculosis. A non-invasive redox biosensor and an ROS-sensitive dye revealed that moxifloxacin induces oxidative stress correlated with M. tuberculosis death. Moxifloxacin lethality was mitigated by supplementing bacterial cultures with an ROS scavenger (thiourea), an iron chelator (bipyridyl), and, after drug removal, an antioxidant enzyme (catalase). Lethality was also reduced by hypoxia and nutrient starvation. Moxifloxacin increased the expression of genes involved in the oxidative stress response, iron-sulfur cluster biogenesis, and DNA repair. Surprisingly, and in contrast with Escherichia coli studies, moxifloxacin decreased expression of genes involved in respiration, suppressed oxygen consumption, increased the NADH/NAD + ratio, and increased the labile iron pool in M. tuberculosis . Lowering the NADH/NAD + ratio in M. tuberculosis revealed that NADH-reductive stress facilitates an iron-mediated ROS surge and moxifloxacin lethality. Treatment with N-acetyl cysteine (NAC) accelerated respiration and ROS production, increased moxifloxacin lethality, and lowered the mutant prevention concentration. Moxifloxacin induced redox stress in M. tuberculosis inside macrophages, and co-treatment with NAC potentiated the anti-mycobacterial efficacy of moxifloxacin during nutrient starvation, inside macrophages, and in mice where NAC restricted the emergence of resistance. Thus, oxidative stress, generated in a novel way, contributes to moxifloxacin-mediated killing of M. tuberculosis. The results open a way to make fluoroquinolones more effective anti-tuberculosis agents and provide a mechanistic basis for NAC-mediated enhancement of fluoroquinolone lethality in vitro and in vivo . Author Summary A new paradigm was revealed for stress-mediated bacterial death in which moxifloxacin treatment of M. tuberculosis decreases respiration rate (respiration increases in E. coli ). Although moxifloxacin-induced, ROS-mediated bacterial death was observed, it derived from elevated levels of NADH and iron, a phenomenon not seen with antibiotic-treated E . coli . Nevertheless, stimulation of respiration and ROS by N-acetyl cysteine (NAC) enhanced moxifloxacin-mediated killing of M. tuberculosis , thereby reinforcing involvement of ROS in killing. NAC stimulation of moxifloxacin-mediated killing of M. tuberculosis and restriction of the emergence of resistance in a murine model of infection emphasize the importance of lethal action against pathogens. The work, plus published benefits of NAC to TB patients, encourage studies of NAC-based enhancement of fluoroquinolones.

Intracellular pathogens commonly manipulate the host lysosomal system for their survival, however whether this affects the organization and functioning of the lysosomal system itself is not known. Here, we show using in vitro and in vivo infections that the lysosomal content and activity is globally elevated in M. tuberculosis infected macrophages. The enhanced lysosomal state is sustained over time and defines an adaptive homeostasis of the infected cell. Lysosomal alterations are caused by mycobacterial surface components, notably the cell wall lipid SL-1, which functions through the mTORC1-TFEB axis. Mtb mutant defective for SL-1 levels shows reduced lysosomal content and activity compared to wild type. Importantly, this phenotype is conserved during in vivo infection. The alteration in lysosomal phenotype in mutant Mtb lead to decreased lysosomal delivery of Mtb, and importantly, increased survival of intracellular Mtb. These results define the global alterations in the host lysosomal system as a crucial distinguishing feature of Mtb infected macrophages that is host protective and contribute to the containment of the pathogen.

Inhibition of β-lactamase by clavulanate (Clav) sensitizes multi- and extensively drug-resistant Mycobacterium tuberculosis (Mtb) strains towards β-lactams such as amoxicillin (Amox). However, the underlying mechanism of how Mtb responds to Amox-Clav combination (Augmentin; AG) is not characterized. We integrated global expression profiling with the protein-protein interaction landscape and generated a genome-scale network of Mtb in response to AG. In addition to specific targets (e.g., peptidoglycan biosynthesis and β-lactamase), the response to AG was also centered on redox-balance, central carbon metabolism (CCM), and respiration in Mtb . We discovered that AG modulates superoxide levels, NADH/NAD+ balance and mycothiol redox potential (EMSH) of Mtb. Higher intra-mycobacterial EMSH potentiates mycobactericidal efficacy of AG, whereas lower EMSH induces tolerance. Further, Mtb responds to AG via a redox-sensitive transcription factor, WhiB4. MtbΔwhiB4 displayed higher expression of genes involved in β-lactam resistance along with those mediating respiration, CCM and redox balance. Moreimportantly, WhiB4 binds to the promoter regions and represses transcription of genes involved in β-lactamase expression in a redox-dependent manner. Lastly, while MtbΔwhiB4 maintained internal EMSH, exhibited greater β-lactamase activity and displayed AG-tolerance, overexpression of WhiB4 induced oxidative shift in EMSH and repressed β-lactamase activity to aggravate AG-mediated killing of drug-sensitive and -resistant strains of Mtb. Altogether, work demonstrate that efficacy of β-lactam\β-lactamase inhibitor combination can be attenuated by elevating mycobacterial antioxidant capabilities and potentiated by impairing redox buffering capacity of Mtb. The functional linkage between β-lactams, redox balance, and WhiB4 can be exploited to potentiate AG action against drug-resistant Mtb.

Summary The COVID-19 pandemic has highlighted the need for novel antivirals for pandemic management and preparedness. Targeting host processes that are co-opted by viruses is an attractive strategy for developing antivirals with a high resistance barrier. Picolinic acid (PA) is a byproduct of tryptophan metabolism, endogenously produced in humans and other mammals. Here we report broad-spectrum antiviral effects of PA against enveloped viruses, including Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus-2 (SARS-CoV-2), Influenza A virus (IAV), Flaviviruses, Herpes Simplex Virus, and Human Parainfluenza Virus. We further demonstrate using animal models that PA is effective against SARS-CoV-2 and IAV, especially as an oral prophylactic. The mode of action studies revealed that PA inhibits viral entry of enveloped viruses, primarily by interfering with viral-cellular membrane fusion, inhibiting virus-mediated syncytia formation, and dysregulating cellular endocytosis. Overall, our data establish PA as a broad-spectrum antiviral agent, with promising preclinical efficacy against pandemic viruses SARS-CoV-2 and IAV.

Foodborne pathogens continue to be a leading concern of health hazards worldwide claiming the lives of millions. The emergence of drug-resistant strains poses a great threat to global world health management. Therefore, designing novel therapeutic strategies aiming to overcome pathogen burden is of utmost importance. Here, we identified the crucial role of a gut-commensal species, Odoribacter splanchnicus in mitigating Salmonella pathogenesis in mice by inhibiting gut vascular barrier disruption, acute inflammatory infection signs, in vivo biofilm formation and by preserving tight junction protein functions upon pre-colonization. Further, our in vitro studies revealed that not only live O. splanchnicus (OS) but also its culture supernatant inhibit Salmonella biofilm formation, intracellular proliferation in human intestinal cells, and its virulence gene expression. In addition, OS's inhibitory effect on Salmonella is specific as Enterococcus faecalis fails to exert an inhibitory effect on Salmonella. Further, our results depicted that the specific protective role of OS acts over a broad spectrum as it confers protection against flagellated Gram-positive, Listeria monocytogenes and Gram-negative, Salmonella Typhimurium foodborne pathogens, as opposed to non-flagellated Shigella flexneri. Moreover, OS conferred protection even after its administration to mice post-establishment of infection highlighting its therapeutic potential. Using several biochemical and proteomics approaches, we characterized the key active molecule secreted by OS to limit intracellular Salmonella and Listeria replication in human intestinal epithelial cells by regulating key virulence effectors and flagella. Collectively, our study highlights the broad-spectrum protective role of OS in mitigating Salmonella and Listeria pathogenesis and implicates its therapeutic potential.

Abstract Reactive oxygen species (ROS) regulates the proliferation of human immunodeficiency virus (HIV-1) and Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) inside the infected immune cells. However, the application of this knowledge to develop therapeutic strategies remained unsuccessful due to unfavorable consequences of manipulating cellular antioxidant systems that respond to ROS. Here, we show that vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) nanosheets functionally mimic the activity of natural glutathione peroxidase (GPX) to mitigate ROS associated with HIV-1 infection without triggering detrimental changes in cellular physiology. Using genetic reporters of glutathione (GSH) redox potential ( E GSH ; Grx1-roGFP2) and H 2 O 2 (Orp1-roGFP2), we showed that V 2 O 5 -nanosheets catalyze GSH-dependent neutralization of ROS in HIV-1 infected cells. Notably, V 2 O 5 -nanosheets uniformly blocked HIV-1 reactivation, multiplication, and impaired survival of drug-resistant Mtb during HIV-TB co-infection. Mechanistically, V 2 O 5 -nanosheets suppressed HIV-1 by affecting the expression of pathways coordinating redox balance, virus transactivation ( e.g., NF-κB and FOS), inflammation, and apoptosis. Importantly, a combination of V 2 O 5 -nanosheets with a pharmacological inhibitor of NF-κB (BAY11-7082) abrogated activation of HIV-1 from latency. Lastly, V 2 O 5 -nanosheets counteracted ROS, disease pathophysiology, and virus expression in HIV-1 transgenic mice. Our data successfully revealed the usefulness of V 2 O 5 -nanosheets against human pathogens and suggest nanozymes as future platforms to develop interventions against infectious diseases. Significance Statement Redox stress, such as those caused by the deregulation of the antioxidant glutathione, promotes the multiplication of human immunodeficiency virus-1 (HIV-1) and Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ). Here we present a vanadium pentoxide (V 2 O 5 )-based antioxidant nanozyme that targets cells infected with HIV-1. The nanozyme, by mimicking the activity of glutathione peroxidase, reprograms redox signaling to subvert HIV-1 from monocytes, lymphocytes, and HIV-1 transgenic mice. Treatment with nanozyme bolsters the antiviral potential of immune cells by reducing the expression of genes involved in virus activation, inflammation, and apoptosis. The nanozyme also inhibited the proliferation of Mtb , which is a major cause of lethality in HIV patients. These V 2 O 5 -based nanozymes may be applied to numerous human pathogens where redox signaling contributes to disease progression.

Abstract The effects of senescence and aging on geriatric diseases has been well explored but how these influence infections in the elderly have been scarcely addressed. Here, we show that several innate immune responses are elevated in senescent cells and old mice, allowing them to promptly respond to bacterial infections. We have identified higher levels of iNOS as a crucial host response and show that p38 MAPK in senescent cells acts as a negative regulator of iNOS transcription. In old mice, however the ability to impede bacterial proliferation does not correlate with increased survival as elevated immune responses persist unabated eventually affecting the host. The use of anti-inflammatory drugs that could consequently be recommended also decreases iNOS disarming the host of a critical innate immune response. Overall, our study highlights that infection associated mortality in the elderly is not merely an outcome of pathogen load but is also influenced by the host’s ability to resolve inflammation induced damage. Summary statement Using cellular models and old mice we demonstrate the effect of aging on host response to bacterial infections. Aged systems mount a more effective anti-bacterial innate immune response but its persistence results in mortality of the host.