Increasing evidence highlights a role for the immune system in the pathogenesis of autism spectrum disorder (ASD), as immune dysregulation is observed in the brain, periphery, and gastrointestinal tract of ASD individuals. Furthermore, maternal infection (maternal immune activation, MIA) is a risk factor for ASD. Modeling this risk factor in mice yields offspring with the cardinal behavioral and neuropathological symptoms of human ASD. In this study, we find that offspring of immune-activated mothers display altered immune profiles and function, characterized by a systemic deficit in CD4 + TCRβ + Foxp3 + CD25 + T regulatory cells, increased IL-6 and IL-17 production by CD4 + T cells, and elevated levels of peripheral Gr-1 + cells. In addition, hematopoietic stem cells from MIA offspring exhibit altered myeloid lineage potential and differentiation. Interestingly, repopulating irradiated control mice with bone marrow derived from MIA offspring does not confer MIA-related immunological deficits, implicating the peripheral environmental context in long-term programming of immune dysfunction. Furthermore, behaviorally abnormal MIA offspring that have been irradiated and transplanted with immunologically normal bone marrow from either MIA or control offspring no longer exhibit deficits in stereotyped/repetitive and anxiety-like behaviors, suggesting that immune abnormalities in MIA offspring can contribute to ASD-related behaviors. These studies support a link between cellular immune dysregulation and ASD-related behavioral deficits in a mouse model of an autism risk factor.

Abstract Enterococcus faecium , a commensal of the human intestine, has emerged as a hospital-adapted, multi-drug resistant (MDR) pathogen. Bacteriophages (phages), natural predators of bacteria, have regained attention as therapeutics to stem the rise of MDR bacteria. Despite their potential to curtail MDR E. faecium infections, the molecular events governing E. faecium-phage interactions remain largely unknown. Such interactions are important to delineate because phage selective pressure imposed on E. faecium will undoubtedly result in phage resistance phenotypes that could threaten the efficacy of phage therapy. In an effort to understand the emergence of phage resistance in E. faecium , three newly isolated lytic phages were used to demonstrate that E. faecium phage resistance is conferred through an array of cell wall-associated molecules, including secreted antigen A (SagA), enterococcal polysaccharide antigen (Epa), wall teichoic acids, capsule, and an arginine-aspartate-aspartate (RDD) protein of unknown function. We find that capsule and Epa are important for robust phage adsorption and that phage resistance mutations in sagA, epaR , and epaX enhance E. faecium susceptibility to ceftriaxone, an antibiotic normally ineffective due to its low affinity for enterococcal penicillin binding proteins. Consistent with these findings, we provide evidence that phages potently synergize with cell wall (ceftriaxone and ampicillin) and membrane-acting (daptomycin) antimicrobials to slow or completely inhibit the growth of E. faecium . Our work demonstrates that the evolution of phage resistance comes with fitness defects resulting in drug sensitization and that lytic phages could potentially serve as antimicrobial adjuvants in treating E. faecium infections.

Abstract CRISPR-Cas systems are barriers to horizontal gene transfer (HGT) in bacteria. Little is known about CRISPR-Cas interactions with conjugative plasmids, and studies investigating CRISPR-Cas/plasmid interactions in in vivo models relevant to infectious disease are lacking. These are significant gaps in knowledge because conjugative plasmids disseminate antibiotic resistance genes among pathogens in vivo , and it is essential to identify strategies to reduce the spread of these elements. We use enterococci as models to understand the interactions of CRISPR-Cas with conjugative plasmids. Enterococcus faecalis is a native colonizer of the mammalian intestine and harbors pheromone-responsive plasmids (PRPs). PRPs mediate inter- and intraspecies transfer of antibiotic resistance genes. We assessed E. faecalis CRISPR-Cas anti-PRP activity in the mouse intestine and under varying in vitro conditions. We observed striking differences in CRISPR-Cas efficiency in vitro versus in vivo . With few exceptions, CRISPR-Cas blocked intestinal PRP dissemination, while in vitro , the PRP frequently escaped CRISPR-Cas defense. Our results further the understanding of CRISPR-Cas biology by demonstrating that standard in vitro experiments do not adequately model the in vivo anti-plasmid activity of CRISPR-Cas. Additionally, our work identifies several variables that impact the apparent in vitro anti-plasmid activity of CRISPR-Cas, including planktonic versus biofilm settings, different donor/recipient ratios, production of a plasmid-encoded bacteriocin, and the time point at which matings are sampled. Our results are clinically significant because they demonstrate that barriers to HGT encoded by normal human microbiota can have significant impacts on in vivo antibiotic resistance dissemination. Importance CRISPR-Cas is a type of immune system encoded by bacteria that is hypothesized to be a natural impediment to the spread of antibiotic resistance genes. In this study, we directly assessed the impact of CRISPR-Cas on antibiotic resistance dissemination in the mammalian intestine and under varying in vitro conditions. We observed a robust effect of CRISPR-Cas on in vivo but not in vitro dissemination of antibiotic resistance plasmids in the native mammalian intestinal colonizer Enterococcus faecalis . We conclude that standard laboratory experiments currently do not appropriately model the in vivo conditions where antibiotic resistance dissemination occurs between E. faecalis strains. Moreover, our results demonstrate that CRISPR-Cas encoded by native members of the mammalian intestinal microbiota can block the spread of antibiotic resistance plasmids.

The innovation of new therapies to combat multidrug-resistant (MDR) bacteria is being outpaced by the continued rise of MDR bacterial infections. Of particular concern are hospital-acquired infections (HAIs) recalcitrant to antibiotic therapies. The Gram-positive intestinal pathobiont Enterococcus faecalis is associated with HAIs and some strains are MDR. Therefore, novel strategies to control E. faecalis populations are needed. We previously characterized an E. faecalis Type II CRISPR-Cas system and demonstrated its utility in the sequence-specific removal of antibiotic resistance determinants. Here we present work describing the adaption of this CRISPR-Cas system into a constitutively expressed module encoded on a pheromone-responsive conjugative plasmid that efficiently transfers to E. faecalis for the selective removal of antibiotic resistance genes. Using in vitro competition assays, we show that these CRISPR-Cas-encoding delivery plasmids, or CRISPR-Cas antimicrobials, can reduce the occurrence of antibiotic resistance in enterococcal populations in a sequence-specific manner. Furthermore, we demonstrate that deployment of CRISPR-Cas antimicrobials in the murine intestine reduces the occurrence of antibiotic-resistant E. faecalis by several orders of magnitude. Finally, we show that E. faecalis donor strains harboring CRISPR-Cas antimicrobials are immune to uptake of antibiotic resistance determinants in vivo . Our results demonstrate that conjugative delivery of CRISPR-Cas antimicrobials may be adaptable for future deployment from probiotic bacteria for exact targeting of defined MDR bacteria or for precision engineering of polymicrobial communities in the mammalian intestine.Importance CRISPR-Cas nucleic acid targeting systems hold promise for the amelioration of multidrug-resistant enterococci, yet the utility of such tools in the context of the intestinal environment where enterococci reside is understudied. We describe the development of a CRISPR-Cas antimicrobial, deployed on a conjugative plasmid, for the targeted removal of antibiotic resistance genes from intestinal Enterococcus faecalis . We demonstrate that CRISPR-Cas targeting reduces antibiotic resistance of E. faecalis by several orders of magnitude in the intestine. Although barriers exist that influence the penetrance of the conjugative CRISPR-Cas antimicrobial among target recipient E. faecalis cells, the removal of antibiotic resistance genes in E. faecalis upon uptake of the CRISPR-Cas antimicrobial is absolute. In addition, cells that obtain the CRISPR-Cas antimicrobial are immunized against the acquisition of new antibiotic resistance genes. This study suggests a potential path toward plasmid based CRISPR-Cas therapies in the intestine.

Enterococcus faecalis is a human intestinal pathobiont with intrinsic and acquired resistance to many antibiotics, including vancomycin. Nature provides a diverse and virtually untapped repertoire of bacterial viruses, or bacteriophages (phages), that could be harnessed to combat multi-drug resistant enterococcal infections. Bacterial phage resistance represents a potential barrier to the implementation of phage therapy, emphasizing the importance of investigating the molecular mechanisms underlying the emergence of phage resistance. Using a cohort of 19 environmental lytic phages with tropism against E. faecalis, we found that these phages require the enterococcal polysaccharide antigen (Epa) for productive infection. Epa is a surface-exposed heteroglycan synthesized by enzymes encoded by both conserved and strain specific genes. We discovered that exposure to phage selective pressure favors mutation in non-conserved epa genes both in culture and in a mouse model of intestinal colonization. Despite gaining phage resistance, epa mutant strains exhibited a loss of resistance to the cell wall targeting antibiotics, vancomycin and daptomycin. Finally, we show that an E. faecalis epa mutant strain is deficient in intestinal colonization, cannot expand its population upon antibiotic-driven intestinal dysbiosis and fails to be efficiently transmitted to juvenile mice following birth. This study demonstrates that phage therapy could be used in combination with antibiotics to target enterococci within a dysbiotic microbiota. Enterococci that evade phage therapy by developing resistance may be less fit at colonizing the intestine and sensitized to vancomycin preventing their overgrowth during antibiotic treatment.