Abstract Spotted fever group Rickettsia species are arthropod-borne obligate intracellular bacteria that can cause mild to severe human disease. These bacteria invade host cells, replicate in the cell cytosol, and then spread from cell to cell. To access the host cytosol and avoid detection by immune surveillance mechanisms, these pathogens must have evolved efficient ways to escape membrane-bound vacuoles. Although Rickettsia are predicted to express factors that disrupt host membranes, little is known about how and when these proteins function during infection. Here, we investigated the role of a Rickettsia patatin-like phospholipase A2 enzyme (Pat1) during host cell infection by characterizing a Rickettsia parkeri mutant with a transposon insertion in the pat1 gene. We show that Pat1 is important for infection in a mouse model and in host cells. We further show that Pat1 is critical for efficiently escaping from the single and double membrane-bound vacuoles into the host cytosol, and for avoiding host galectins that mark damaged membranes. In the host cytosol, Pat1 is important for avoiding host polyubiquitin, preventing recruitment of autophagy receptor p62, and promoting actin-based motility and cell-cell spread. Our results show that Pat1 plays critical roles in escaping host membranes and promoting cell-cell spread during R. parkeri infection and suggest diverse roles for patatin-like phospholipases in facilitating microbial infection. Importance Spotted fever group Rickettsia are bacteria that reside in ticks and can be transmitted to mammalian hosts, including humans. Severe disease is characterized by high fever, headache, and rash, and results in occasional mortality despite available treatment. Rickettsia interact with host cell membranes while invading cells, escaping into the cytosol, and evading cellular defenses. Bacterial phospholipase enzymes have been proposed as critical factors for targeting host cell membranes, however the specific roles of rickettsial phospholipases are not well defined. We investigated the contribution of one conserved patatin-like phospholipase, Pat1, in Rickettsia parkeri . We observed that Pat1 is important for virulence in an animal model. Moreover, Pat1 plays critical roles in host cells by facilitating access to the cell cytosol, inhibiting detection by host defense pathways, and promoting cell-cell spread. Our study indicates that Pat1 performs several critical functions, suggesting a broad role for phospholipases throughout the Rickettsia lifecycle.

Abstract Many intracellular pathogens avoid detection by their host cells. However, it remains unknown how they avoid being tagged by ubiquitin, an initial step leading to anti-microbial autophagy. Here, we show that the intracellular bacterial pathogen Rickettsia parkeri uses two protein-lysine methyltransferases (PKMTs) to modify outer membrane proteins (OMPs) and prevent their ubiquitylation. Mutants deficient in the PKMTs were avirulent in mice and failed to grow in macrophages due to ubiquitylation and autophagy. Analysis of the lysine - methylome revealed that PKMTs modify a subset of OMPs by methylation at the same sites that are recognized by host ubiquitin. These findings show that lysine methylation is an essential determinant of rickettsial pathogenesis that shields bacterial proteins from ubiquitylation to evade autophagic targeting.

Abstract The baculovirus Autographa californica multiple nucleopolyhedrovirus (AcMNPV), a pathogen of lepidopteran insects, has a striking dependence on the host cell actin cytoskeleton. During the delayed-early stage of infection, AcMNPV was shown to induce the accumulation of actin at the cortex of infected cells. However, the dynamics and molecular mechanism of cortical actin assembly remained unknown. Here, we show that AcMNPV induces dynamic cortical clusters of dot-like actin structures that resemble clusters of invadosomes in mammalian cells. Furthermore, we find that the AcMNPV protein actin-rearrangement-inducing factor-1 (ARIF-1), which was previously shown to be necessary and sufficient for cortical actin assembly and efficient viral infection in insect hosts, is both necessary and sufficient for invadosome-like structure formation. We mapped the sequences within the C-terminal cytoplasmic region of ARIF-1 that are required for invadosome-like structure formation and identified individual tyrosine and proline residues that are required for organizing these structures. Additionally, we found that ARIF-1 and the invadosome-associated proteins cortactin and the Arp2/3 complex localize to invadosome-like structures, and Arp2/3 complex is required for their formation. These ARIF-1-induced invadosome-like structures may be important for the function of ARIF-1 in systemic virus spread.

Abstract Rickettsia are arthropod-borne pathogens that cause severe human disease worldwide. The spotted fever group (SFG) pathogen Rickettsia parkeri elicits skin lesion (eschar) formation in humans after tick bite. However, intradermal inoculation of inbred mice with millions of bacteria fails to elicit eschar formation or disseminated disease, hindering investigations into understanding eschar-associated rickettsiosis. Here, we report that intradermal infection of mice deficient for both interferon receptors ( Ifnar -/- Ifngr -/- ) with R. parkeri causes eschar formation, recapitulating the hallmark clinical feature of human disease. Intradermal infection with doses that recapitulate tick infestation caused eschar formation and lethality, including with as few as 10 bacteria. Using this model, we found that the actin-based motility protein Sca2 is required for R. parkeri dissemination from the skin to internal organs and for causing lethal disease, and that the abundant R. parkeri outer membrane protein OmpB contributes to eschar formation. We also found that immunizing mice with sca2 and ompB mutant R. parkeri protects against subsequent rechallenge with wild-type bacteria, revealing live-attenuated vaccine candidates. Thus, interferon receptor-deficient mice are a tractable model to investigate rickettsiosis, bacterial virulence factors, and immunity. Our results suggest that differences in interferon signaling in the skin between mice and humans may explain the discrepancy in susceptibility to SFG Rickettsia .

Abstract Cell-cell fusion is important for biological processes including fertilization, development, immunity, and microbial pathogenesis. Bacteria in the pseudomallei group of Burkholderia species, including B. thailandensis , spread between host cells by inducing cell-cell fusion. Previous work showed that B. thailandensis -induced cell-cell fusion requires intracellular bacterial motility and a bacterial protein secretion apparatus called the type VI secretion system-5 (T6SS-5), including the T6SS-5 protein VgrG5. However, the cellular level mechanism and T6SS-5 proteins important for bacteria-induced cell-cell fusion remained incompletely described. Using live cell imaging, we found bacteria used actin-based motility to push on the host cell plasma membrane to form plasma membrane protrusions that extended into neighboring cells. Then, membrane fusion occurred within these membrane protrusions, either proximal to the bacterium at the tip or elsewhere within a protrusion. Expression of VgrG5 by bacteria within membrane protrusions was required to promote cell-cell fusion. Furthermore, a second predicted T6SS-5 protein, TagD5, was also required for cell-cell fusion. In the absence of VgrG5 or TagD5, bacteria in plasma membrane protrusions were engulfed into neighboring cells. Our results suggest that the T6SS-5 effectors VgrG5 and TagD5 are secreted within membrane protrusions and act locally to promote membrane fusion.

Abstract Trypanosoma brucei , the causative agent of African sleeping sickness, uses its flagellum for movement, cell division, and signaling. The flagellum is anchored to the cell body membrane via the flagellar attachment zone (FAZ), a complex of proteins, filaments, and microtubules that spans two membranes with elements on both flagellum and cell body sides. How FAZ components are carried into place to form this complex is poorly understood. Here, we show that the trypanosome-specific kinesin KIN-E is required for building the FAZ in bloodstream-form parasites. KIN-E is localized along the flagellum with a concentration at its distal tip. Depletion of KIN-E by RNAi rapidly inhibits flagellum attachment and leads to cell death. A detailed analysis reveals that KIN-E depletion phenotypes include failure in cytokinesis completion, kinetoplast DNA mis-segregation, and transport vesicle accumulation. Together with previously published results in procyclic form parasites, these data suggest KIN-E plays a critical role in FAZ assembly in T. brucei .

Inflammasomes and interferons constitute two critical arms of innate immunity. Most facultative bacterial pathogens that inhabit the host cell cytosol avoid activating inflammasomes and are often resistant to killing by type I interferon (IFN-I). We report that the human pathogen Rickettsia parkeri , an obligate intracellular pathogen that resides in the cytosol, is sensitive to IFN-I. The mechanism of IFN-I-dependent restriction requires the transcription factor IRF5, which upregulates anti-rickettsial factors including guanylate-binding proteins and iNOS. However, R. parkeri curtails cGAS-dependent IFN-I production by causing caspase-11-dependent pyroptosis. In vivo , inflammasome activation antagonizes IFN-I production, enhancing R. parkeri abundance in the spleen. Mice lacking either IFN-I or IFN-γ signaling are resistant to infection, but mice lacking both rapidly succumb, revealing that both interferons are required to control R. parkeri . This study illuminates how an obligate cytosolic pathogen exploits the intrinsic trade-off between cell death and cytokine production to escape killing by innate immunity.

Trypanosoma brucei, the causative agent of African sleeping sickness, has a flagellum that is crucial for motility, pathogenicity, and viability. In most eukaryotes, the intraflagellar transport (IFT) machinery drives flagellum biogenesis, and anterograde IFT requires kinesin-2 motor proteins. In this study, we investigated the function of the two T. brucei kinesin-2 proteins, TbKin2a and TbKin2b, in bloodstream form trypanosomes. We found that compared to other kinesin-2 proteins, TbKin2a and TbKin2b show greater variation in neck, stalk, and tail domain sequences. Both kinesins contributed additively to flagellar lengthening. Surprisingly, silencing TbKin2a inhibited cell proliferation, cytokinesis and motility, whereas silencing TbKin2b did not. TbKin2a was localized on the flagellum and colocalized with IFT components near the basal body, consistent with it performing a role in IFT. TbKin2a was also detected on the flagellar attachment zone, a specialized structure in trypanosome cells that connects the flagellum to the cell body. Our results indicate that kinesin-2 proteins in trypanosomes play conserved roles in IFT and exhibit a specialized localization, emphasizing the evolutionary flexibility of motor protein function in an organism with a large complement of kinesins.

Summary Mycobacterium marinum , a close relative of the significant human pathogen Mycobacterium tuberculosis, polymerizes host actin at the bacterial surface to drive intracellular movement and cell-to-cell spread during infection. Here, we report the identification and characterization of MirA, the M. marinum actin-based motility factor. MirA is a member of the glycine-rich PE_PGRS family of ESX-5-secreted proteins. MirA uses an amphipathic helix to anchor into the mycobacterial outer membrane and, surprisingly, also the surface of host lipid droplet organelles. The glycine-rich PGRS domain in MirA directly binds and activates host N-WASP to stimulate actin polymerization through the Arp2/3 complex, directing both bacterial and lipid droplet actin- based motility. MirA is dissimilar to known N-WASP activating ligands and may represent a new class of microbial and host actin regulator. Additionally, the MirA-N-WASP interaction represents a model to understand how the enigmatic PE_PGRS proteins contribute to mycobacterial pathogenesis.

The baculovirus Autographa californica multiple nucleopolyhedrovirus (AcMNPV), the type species of alphabaculoviruses, is an enveloped DNA virus that infects lepidopteran insects and is commonly known as a vector for protein expression and cell transduction. AcMNPV belongs to a diverse group of viral and bacterial pathogens that target the host cell actin cytoskeleton during infection. AcMNPV is unusual, however, in that it absolutely requires actin translocation into the nucleus early in infection, and actin polymerization within the nucleus late in infection coincident with viral replication. Of the six viral factors that are sufficient, when coexpressed, to induce the nuclear localization of actin, only AC102 is essential for viral replication and the nuclear accumulation of actin. We therefore sought to better understand the role of AC102 in actin mobilization in the nucleus early and late in infection. Although AC102 was thought to function early in infection, we found that AC102 is predominantly expressed as a late protein. In addition, we observed that AC102 is required for F-actin assembly in the nucleus during late infection, as well as for proper formation of viral replication structures and nucleocapsid morphogenesis. Finally, we found that AC102 is a nucleocapsid protein and a newly recognized member of a complex consisting of the viral proteins EC27, C42, and the actin polymerization protein P78/83. Taken together, our findings suggest that AC102 is necessary for nucleocapsid morphogenesis and actin assembly during late infection through its role as a component of the P78/83-C42-EC27-AC102 protein complex.