Innate immunity is the first immunological defence against pathogens. During virus infection detection of nucleic acids is crucial for the inflammatory response. Here we identify DNA-dependent protein kinase (DNA-PK) as a DNA sensor that activates innate immunity. We show that DNA-PK acts as a pattern recognition receptor, binding cytoplasmic DNA and triggering the transcription of type I interferon (IFN), cytokine and chemokine genes in a manner dependent on IFN regulatory factor 3 (IRF-3), TANK-binding kinase 1 (TBK1) and stimulator of interferon genes (STING). Both cells and mice lacking DNA-PKcs show attenuated cytokine responses to both DNA and DNA viruses but not to RNA or RNA virus infection. DNA-PK has well-established functions in the DNA repair and V(D)J recombination, hence loss of DNA-PK leads to severe combined immunodeficiency (SCID). However, we now define a novel anti-microbial function for DNA-PK, a finding with implications for host defence, vaccine development and autoimmunity.DOI:http://dx.doi.org/10.7554/eLife.00047.001.

Abstract The anti-viral immune response is dependent on the ability of infected cells to sense foreign nucleic acids. In multiple species, the pattern recognition receptor (PRR) cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) senses viral DNA as an essential component of the innate response. cGAS initiates a range of signalling outputs that are dependent on generation of the second messenger cGAMP that binds to the adaptor protein stimulator of interferon genes (STING). Here we show that in chicken macrophages, the cGAS/STING pathway is essential not only for the production of type-I interferons in response to intracellular DNA stimulation, but also for regulation of macrophage effector functions including the expression of MHC-II and co-stimulatory molecules. In the context of fowlpox, an avian DNA virus infection, the cGAS/STING pathway was found to be responsible for type-I interferon production and MHC-II transcription. The sensing of fowlpox virus DNA is therefore essential for mounting an anti-viral response in chicken cells and for regulation of a specific set of macrophage effector functions.

Abstract Natural killer (NK) cells have an established role in controlling poxvirus infection and there is a growing interest to exploit their capabilities in the context of poxvirus-based oncolytic therapy and vaccination. How NK cells recognise poxvirus-infected cells to become activated remains unclear. To address this knowledge gap, we studied the NK cell response to vaccinia virus (VACV) in vivo , using a systemic infection murine model. We found broad alterations in NK cells transcriptional activity in VACV-infected mice, consistent with both direct target cell recognition and cytokine exposure. There were also alterations in the expression levels of specific NK surface receptors (NKRs), including the Ly49 family and SLAM receptors, as well as upregulation of memory-associated NK markers. Despite the latter observation, adoptive transfer of NK memory populations did not confer protection from re-infection. Comparison with the NK cell response to murine cytomegalovirus (MCMV) infection highlighted common features, but also distinct NK transcriptional programmes initiated by VACV. Finally, there was a clear overlap between the NK transcriptional response in humans vaccinated with an attenuated VACV, modified vaccinia Ankara (MVA), demonstrating conservation between the NK response in these different host species. Overall, this study provides new data about NK cell activation, function, and homeostasis during VACV infection, and may have implication for the design of VACV-based therapeutics.

ABSTRACT The mechanisms by which flaviviruses use non-canonical translation to support their replication in host cells are largely unknown. Here we investigated how the integrated stress response (ISR), which promotes translational arrest by eIF2ɑ phosphorylation (p‒eIF2ɑ), regulates flavivirus replication. During Dengue virus (DENV) and Zika virus (ZIKV) infection, eIF2ɑ phosphorylation peaked at 24 hours post infection and was dependent on PKR but not type I interferon. The ISR is activated downstream of p-eIF2α during infection with either virus, but translation arrest only occurred following DENV4 infection. Despite this difference, both DENV4 and ZIKV replication was impaired in cells lacking PKR, independent of IFN-I/NF-kB signalling or cell viability. By using a ZIKV 5′ UTR reporter system as a model, we found that this region of the genome is sufficient to promote an enhancement of viral mRNA translation in the presence of an active ISR. Together we provide evidence that flaviviruses escape ISR translational arrest and co-opt this response to increase viral replication.

Abstract Highly pathogenic avian influenza virus (HPAIV) presents a global threat to chicken livestock; chickens infected by HPAIV tend to show severe symptoms and high mortality rates. In 2022, the largest recorded outbreak of HPAIV in Europe resulted in millions of chickens being culled in the UK alone to try to prevent further spread. Unlike chickens, mallard ducks show reduced symptom severity and lower mortality rates to HPAIV infection. Research into the immune system responses of these two species shows they differ in their molecular outputs: chickens produce a pro-inflammatory response; mallards produce an anti-viral response. These differences in immune responses are thought to be in part due to chickens missing pattern recognition receptor retinoic acid-inducible gene-I (RIG-I). This project aimed to model the innate immune systems of chickens and mallard ducks to an abstracted molecular level. A literature search was conducted, and the immune systems were modelled in NetLogo as an avian innate immune response agent-based model (AIIRABM). The AIIRABM enabled examination of the relative importance of molecular differences between the chicken and mallard duck innate immune systems and produced similar differences in chicken and mallard duck molecular outputs to those observed in vitro and in vivo . Simulation experiments with the AIIRABM supported the molecular difference RIG-I as key in causing the differences in the chicken and mallard duck innate immune responses to HPAIV. The AIIRABM will be used in further research on the chicken and mallard duck immune responses to HPAIV as the baseline in an iterative modelling cycle.

The innate immune response relies on the ability of host cells to rapidly detect and respond to microbial nucleic acids. Toll-like receptors (TLRs), a class of pattern recognition receptors (PRRs), play a fundamental role in distinguishing self from non-self at the molecular level. In this study, we focused on TLR21, an avian TLR that recognizes DNA motifs commonly found in bacterial genomic DNA, specifically unmethylated CpG motifs. TLR21 is believed to act as a functional homologue to mammalian TLR9. By analysing TLR21 signalling in chickens, we sought to elucidate avian TLR21 activation outputs in parallel to that of other nucleic acid species. Our analyses revealed that chicken TLR21 (chTLR21) triggers the activation of NF-kappa B and induces a potent type-I interferon response in chicken macrophages, similar to the signalling cascades observed in mammalian TLR9 activation. Notably, the transcription of interferon beta (IFNB) by chTLR21 was found to be dependent on both NF-kappa B and IRF7 signalling, but independent of the TBK1 kinase, a distinctive feature of mammalian TLR9 signalling. These findings highlight the conservation of critical signalling components and downstream responses between avian TLR21 and mammalian TLR9, despite their divergent evolutionary origins. These insights into the evolutionarily conserved mechanisms of nucleic acid sensing contribute to the broader understanding of host-pathogen interactions across species.

Abstract To mount an efficient interferon response to virus infection, intracellular pattern recognition receptors (PRRs) sense viral nucleic acids and activate anti-viral gene transcription. The mechanisms by which intracellular DNA and DNA viruses are sensed are relevant not only to antiviral innate immunity, but also to autoinflammation and anti-tumour immunity through initiation of sterile inflammation by self-DNA recognition. The PRRs that directly sense and respond to viral or damaged self-DNA function by signalling to activate interferon regulatory factor (IRF)-dependent type one interferon (IFN-I) transcription. We and others have previously defined DNA-dependent protein kinase (DNA-PK) as an essential component of the DNA-dependent antiviral innate immune system. Here, we show that DNA-PK is essential for STING-dependent IFN-I responses in human cells during stimulation with exogenous DNA and infection with DNA viruses.

Despite the success of Vaccinia virus (VACV) against smallpox there remains a paucity of information on Dendritic cell (DC) responses to the virus, especially on the traffic of DCs and VACV to draining LN (dLN). Herein we studied skin DC migration in response to VACV and compared it to the tuberculosis vaccine Mycobacterium bovis Bacille Calmette-Guérin (BCG), another live-attenuated vaccine administered via the skin. In stark contrast to BCG, skin DCs did not relocate to dLN in response to VACV. This happened in spite of virus-induced accumulation of several other innate-immune cell populations in the dLN. UV inactivation of VACV or use of the Modified Vaccinia virus Ankara (MVA) strain promoted DC movement to dLN, indicating that the virus actively interferes with skin DC migration. This active immune suppression by VACV is potent enough to ablate the mobilization of skin DCs in response to BCG, impacting on BCG transport to dLN. Expression of inflammatory mediators associated with BCG-triggered DC migration were absent from virus-injected skin, suggesting that other pathways provoke DC movement in response to replication-deficient VACV. Despite viral suppression of DC migration, VACV was detected in dLN much earlier than BCG, indicating a rapid, alternative route of viral traffic to dLN despite marked blockade of skin DC mobilization from the site of infection.

ABSTRACT Cytosolic long double-stranded RNA (dsRNA), among the most potent proinflammatory signals, is recognized by MDA5. MDA5 binds dsRNA cooperatively, forming helical filaments. ATP hydrolysis by MDA5 fulfills a proofreading function by promoting dissociation of shorter endogenous dsRNAs from MDA5 while allowing longer viral dsRNAs to remain bound leading to activation of interferon-β responses. Here, we show that adjacent MDA5 subunits in MDA5-dsRNA filaments hydrolyze ATP cooperatively, inducing cooperative filament disassembly. This amplifies the RNA footprint expansion that accompanies each round of ATP hydrolysis and allows MDA5 to displace tightly bound proteins from dsRNA. Our electron microscopy and biochemical assays show that LGP2 binds to dsRNA at internal binding sites through noncooperative ATP hydrolysis. Unlike MDA5, LGP2 has low nucleic acid selectivity and can hydrolyze GTP and CTP as well as ATP. Binding of LGP2 to dsRNA promotes nucleation of MDA5 filament assembly resulting in shorter filaments. Molecular modeling of the MDA5-LGP2 interface suggests that MDA5 interacts with dsRNA stem-bound rather than end-bound LGP2. We conclude that NTPase-dependent binding of LGP2 to internal sites on dsRNA increases the number and signaling output of MDA5-dsRNA complexes. Our work identifies novel molecular mechanisms contributing the selectivity and sensitivity of cytosolic dsRNA sensing. KEY POINTS Cooperative ATP hydrolysis in MDA5 filaments confers selectivity for dsRNA and displaces other proteins from RNA Noncooperative NTP hydrolysis by LGP2 induces binding to internal RNA sites with low selectivity RNA stem-bound LGP2 nucleates assembly of MDA5 signaling complexes on a broader set of RNA ligands

Abstract Interactions between pathogens, host microbiota and the immune system influence many physiological and pathological processes. In the 20 th century, widespread dermal vaccination with vaccinia virus (VACV) led to the eradication of smallpox but how VACV interacts with the microbiota and whether this influences the efficacy of vaccination are largely unknown. Here we report that intradermal vaccination with VACV induces a large increase in the number of commensal bacteria in infected tissue, which enhance recruitment of inflammatory cells, promote tissue damage and increase immunity. Treatment of vaccinated specific-pathogen-free (SPF) mice with antibiotic, or infection of genetically-matched germ-free (GF) animals caused smaller lesions without alteration in virus titre. Tissue damage correlated with enhanced neutrophil and T cell infiltration and levels of pro-inflammatory tissue cytokines and chemokines. One month after vaccination, GF mice had reduced VACV-neutralising antibodies compared to SPF mice; while numbers of VACV-specific CD8 + T cells were equal in all groups of animals. Thus, skin microbiota may provide an adjuvant-like stimulus during vaccination with VACV. This observation has implications for dermal vaccination with live vaccines. Author Summary Smallpox was caused by variola virus and was eradicated by widespread dermal vaccination with vaccinia virus (VACV), a related orthopoxvirus of unknown origin. Eradication was declared in 1980 without an understanding of the immunological correlates of protection, or knowledge of the effect of smallpox vaccination on the local microbiota. Here we demonstrate that intradermal infection of mice with VACV induces a ∼1000-fold expansion of commensal skin bacteria that influence the recruitment of inflammatory cells into the infected tissue and enhance the size of the vaccination lesion. Antibiotic treatment reduced lesion size without changing virus titres. The bacterial expansion also contributes to the level of neutralizing antibodies at one month post vaccination, because genetically matched germ-free mice developed lower neutralizing antibodies than specific pathogen free controls. Thus, dermal infection by VACV enhanced bacterial growth and these bacteria promote pathology and enhance the antibody response. This finding has implication for dermal vaccination with live vaccines.