Although vitamin D deficiency is a common feature among patients presenting with active tuberculosis, the full scope of vitamin D action during Mycobacterium tuberculosis (Mtb) infection is poorly understood. As macrophages are the primary site of Mtb infection and are sites of vitamin D signaling, we have used these cells to understand the molecular mechanisms underlying modulation of the immune response by the hormonal form of vitamin D, 1,25-dihydroxyvitamin D (1,25D). We found that the virulent Mtb strain H37Rv elicits a broad host transcriptional response. Transcriptome profiling also revealed that the profile of target genes regulated by 1,25D is substantially altered by infection, and that 1,25D generally boosts infection-stimulated cytokine/chemokine responses. We further focused on the role of 1,25D- and infection-induced interleukin 1β (IL-1β) expression in response to infection. 1,25D enhanced IL-1β expression via a direct transcriptional mechanism. Secretion of IL-1β from infected cells required the NLRP3/caspase-1 inflammasome. The impact of IL-1β production was investigated in a novel model wherein infected macrophages were co-cultured with primary human small airway epithelial cells. Co-culture significantly prolonged survival of infected macrophages, and 1,25D/infection-induced IL-1β secretion from macrophages reduced mycobacterial burden by stimulating the anti-mycobacterial capacity of co-cultured lung epithelial cells. These effects were independent of 1,25D-stimulated autophagy in macrophages but dependent upon epithelial IL1R1 signaling and IL-1β-driven epithelial production of the antimicrobial peptide DEFB4/HBD2. These data provide evidence that the anti-microbial actions of vitamin D extend beyond the macrophage by modulating paracrine signaling, reinforcing its role in innate immune regulation in humans.

Abstract Tuberculosis disproportionately affects the Canadian Inuit. To address this, it is imperative we understand transmission dynamics in this population. We investigate whether ‘deep’ sequencing can provide additional resolution compared to standard sequencing, using a well-characterized outbreak from the Arctic (2011-2012, 50 cases). Samples were sequenced to ~500-1000x and reads were aligned to a novel local reference genome generated with PacBio SMRT sequencing. Consensus and heterogeneous variants were identified and compared across genomes. In contrast with previous genomic analyses using ~50x depth, deep sequencing allowed us to identify a novel super-spreader who likely transmitted to up to 17 other cases during the outbreak (35% of all cases that year). It is increasingly evident that within-host diversity should be incorporated into transmission analyses; deep sequencing can facilitate accurately detection of super-spreaders and corresponding transmission clusters. This has implications not only for TB, but all genomic studies of transmission - regardless of pathogen.

New vaccines are urgently needed against Mycobacterium tuberculosis (Mtb), which kills more than 1.4 million people each year. CD4 T cell differentiation is a key determinant of protective immunity against Mtb, but it is not fully understood how host-pathogen interactions shape individual antigen-specific T cell populations and their protective capacity. Here, we investigated the immunodominant Mtb antigen, MPT70, which is upregulated in response to IFN-γ or nutrient/oxygen deprivation of in vitro infected macrophages. Using a murine aerosol infection model, we compared the in vivo expression kinetics of MPT70 to a constitutively expressed antigen, ESAT-6, and analysed their corresponding CD4 T cell phenotype and vaccine-protection. For wild-type Mtb, we found that in vivo expression of MPT70 was delayed compared to ESAT-6. This delayed expression was associated with induction of less differentiated MPT70-specific CD4 T cells but, compared to ESAT-6, also reduced protection after vaccination. In contrast, infection with an MPT70-overexpressing Mtb strain promoted highly differentiated KLRG1+CX3CR1+ CD4 T cells with limited lung-homing capacity. Importantly, this differentiated phenotype could be prevented by vaccination and, against the overexpressing strain, vaccination with MPT70 conferred similar protection as ESAT-6. Together our data indicate that high in vivo antigen expression drives T cells towards terminal differentiation and that targeted vaccination with adjuvanted protein can counteract this phenomenon by maintaining T cells in a protective less-differentiated state. These observations shed new light on host-pathogen interactions and provide guidance on how future Mtb vaccines can be designed to tip the immune-balance in favor of the host.

Complete Freund’s adjuvant (CFA) has historically been one of the most useful tools of immunologists. Essentially comprised of dead mycobacteria and mineral oil, we asked ourselves what is special about the mycobacterial part of this adjuvant, and could it be recapitulated synthetically? Here, we demonstrate the essentiality of N -glycolylated peptidoglycan plus trehalose dimycolate (both unique in mycobacteria) for the complete adjuvant effect using knockouts and chemical complementation. A combination of synthetic N -glycolyl muramyl dipeptide and minimal trehalose dimycolate motif GlcC14C18 was able to upregulate dendritic cell effectors, plus induce experimental autoimmunity qualitatively similar but quantitatively milder compared to CFA. This research outlines how to substitute CFA with a consistent, molecularly-defined adjuvant which may inform the design of immunotherapeutic agents and vaccines benefitting from cell-mediated immunity. We also anticipate using synthetic microbe-associated molecular patterns (MAMPs) to study mycobacterial immunity and immunopathogenesis.

ABSTRACT Mycobacterium kansasii is an environmental non-tuberculous mycobacterium that causes opportunistic tuberculosis-like disease. It is one of the most closely related species to the M. tuberculosis complex. Using M. kansasii as a proxy for the M. kansasii-M. tuberculosis -common ancestor, we asked whether introducing the M. tuberculosis -specific gene pair Rv3377c-Rv3378c into M. kansasii affects the course of experimental infection. Expression of these genes resulted in the production of an adenosine-linked lipid species, known as 1-tuberculosinyladenosine (1-TbAd), but did not alter growth in vitro under standard conditions. Production of 1-TbAd enhanced growth of M. kansasii under acidic conditions through a bacterial cell-intrinsic mechanism independent of controlling pH in the bulk extracellular and intracellular spaces. Production of 1-TbAd led to greater burden of M. kansasii in the lung of C57Bl/6 mice during the first 24 hours after infection and ex vivo infections of alveolar macrophages recapitulated this phenotype within the same time frame. However, in long-term infections, production of 1-TbAd resulted in impaired bacterial survival in both C57Bl/6 mice and Ccr2-/- mice. We have demonstrated that M. kansasii is a valid surrogate of M. tuberculosis to study virulence factors acquired by the latter organism, yet shown the challenge inherent to studying the complex evolution of mycobacterial pathogenicity with isolated gene complementation. IMPORTANCE This work sheds light on the role of the lipid 1-tuberculosinyladenosine in the evolution of an environmental ancestor to M. tuberculosis . On a larger scale, it reinforces the importance of horizontal gene transfer in bacterial evolution and examines novel models and methods to provide a better understanding of the subtle effects of individual M. tuberculosis -specific virulence factors in infection settings that are relevant to the pathogen.

ABSTRACT Vaccines and drugs are two effective medical interventions to mitigate SARS-CoV-2 infection. Three SARS-CoV-2 inhibitors, remdesivir, paxlovid, and molnupiravir, have been approved for treating COVID-19 patients, but more are needed, because each drug has its limitation of usage and SARS-CoV-2 constantly develops drug resistance mutations. In addition, SARS-CoV-2 drugs have the potential to be repurposed to inhibit new human coronaviruses, thus help to prepare for future coronavirus outbreaks. We have screened a library of microbial metabolites to discover new SARS-CoV-2 inhibitors. To facilitate this screening effort, we generated a recombinant SARS-CoV-2 Delta variant carrying the nano luciferase as a reporter for measuring viral infection. Six compounds were found to inhibit SARS-CoV-2 at the half maximal inhibitory concentration (IC50) below 1 μM, including the anthracycline drug aclarubicin that markedly reduced viral RNA-dependent RNA polymerase (RdRp)-mediated gene expression, whereas other anthracyclines inhibited SARS-CoV-2 by activating the expression of interferon and antiviral genes. As the most commonly prescribed anti-cancer drugs, anthracyclines hold the promise of becoming new SARS-CoV-2 inhibitors. IMPORTANCE Microbial metabolites are a rich source of bioactive molecules. The best examples are antibiotics and immunosuppressants that have transformed the practice of modern medicine and saved millions of lives. Recently, some microbial metabolites were reported to have antiviral activity, including the inhibition of Zika virus and Ebola virus. In this study, we discovered several microbial metabolites that effectively inhibit SARS-CoV-2 infection, including anthracyclines that have also been shown to inhibit other viruses including Ebola virus through enhancing interferon responses, which indicates potentially broad antiviral properties of these microbial metabolites and can lead to the discovery of pan-antiviral molecules.