The interaction of particles with cells is known to be strongly influenced by particle size, but little is known about the interdependent role that size, shape, and surface chemistry have on cellular internalization and intracellular trafficking. We report on the internalization of specially designed, monodisperse hydrogel particles into HeLa cells as a function of size, shape, and surface charge. We employ a top-down particle fabrication technique called PRINT that is able to generate uniform populations of organic micro- and nanoparticles with complete control of size, shape, and surface chemistry. Evidence of particle internalization was obtained by using conventional biological techniques and transmission electron microscopy. These findings suggest that HeLa cells readily internalize nonspherical particles with dimensions as large as 3 μm by using several different mechanisms of endocytosis. Moreover, it was found that rod-like particles enjoy an appreciable advantage when it comes to internalization rates, reminiscent of the advantage that many rod-like bacteria have for internalization in nonphagocytic cells.

Animal viruses are broadly categorized structurally by the presence or absence of an envelope composed of a lipid-bilayer membrane, attributes that profoundly affect stability, transmission and immune recognition. Among those lacking an envelope, the Picornaviridae are a large and diverse family of positive-strand RNA viruses that includes hepatitis A virus (HAV), an ancient human pathogen that remains a common cause of enterically transmitted hepatitis. HAV infects in a stealth-like manner and replicates efficiently in the liver. Virus-specific antibodies appear only after 3-4 weeks of infection, and typically herald its resolution. Although unexplained mechanistically, both anti-HAV antibody and inactivated whole-virus vaccines prevent disease when administered as late as 2 weeks after exposure, when virus replication is well established in the liver. Here we show that HAV released from cells is cloaked in host-derived membranes, thereby protecting the virion from antibody-mediated neutralization. These enveloped viruses ('eHAV') resemble exosomes, small vesicles that are increasingly recognized to be important in intercellular communications. They are fully infectious, sensitive to extraction with chloroform, and circulate in the blood of infected humans. Their biogenesis is dependent on host proteins associated with endosomal-sorting complexes required for transport (ESCRT), namely VPS4B and ALIX. Whereas the hijacking of membranes by HAV facilitates escape from neutralizing antibodies and probably promotes virus spread within the liver, anti-capsid antibodies restrict replication after infection with eHAV, suggesting a possible explanation for prophylaxis after exposure. Membrane hijacking by HAV blurs the classic distinction between 'enveloped' and 'non-enveloped' viruses and has broad implications for mechanisms of viral egress from infected cells as well as host immune responses.

Cytoplasmic RIG-like helicases are sensors of viral RNA, and signal through the mitochondrial adaptor protein MAVS to activate IRF3 and induce type 1 interferon production. This paper shows that a member of the NLR family of proteins called NLRX1 is a negative regulator of the pathway and functions by inhibiting the interaction of the viral sensor with the MAVS adaptor. The RIG-like helicase (RLH) family of intracellular receptors detect viral nucleic acid and signal through the mitochondrial antiviral signalling adaptor MAVS (also known as Cardif, VISA and IPS-1) during a viral infection1,2,3,4,5,6. MAVS activation leads to the rapid production of antiviral cytokines, including type 1 interferons. Although MAVS is vital to antiviral immunity, its regulation from within the mitochondria remains unknown. Here we describe human NLRX1, a highly conserved nucleotide-binding domain (NBD)- and leucine-rich-repeat (LRR)-containing family member (known as NLR) that localizes to the mitochondrial outer membrane and interacts with MAVS. Expression of NLRX1 results in the potent inhibition of RLH- and MAVS-mediated interferon-β promoter activity and in the disruption of virus-induced RLH–MAVS interactions. Depletion of NLRX1 with small interference RNA promotes virus-induced type I interferon production and decreases viral replication. This work identifies NLRX1 as a check against mitochondrial antiviral responses and represents an intersection of three ancient cellular processes: NLR signalling, intracellular virus detection and the use of mitochondria as a platform for anti-pathogen signalling. This represents a conceptual advance, in that NLRX1 is a modulator of pathogen-associated molecular pattern receptors rather than a receptor, and identifies a key therapeutic target for enhancing antiviral responses.

All coronaviruses known to have recently emerged as human pathogens probably originated in bats1. Here we use a single experimental platform based on immunodeficient mice implanted with human lung tissue (hereafter, human lung-only mice (LoM)) to demonstrate the efficient in vivo replication of severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV), Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) and severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), as well as two endogenous SARS-like bat coronaviruses that show potential for emergence as human pathogens. Virus replication in this model occurs in bona fide human lung tissue and does not require any type of adaptation of the virus or the host. Our results indicate that bats contain endogenous coronaviruses that are capable of direct transmission to humans. Our detailed analysis of in vivo infection with SARS-CoV-2 in human lung tissue from LoM showed a predominant infection of human lung epithelial cells, including type-2 pneumocytes that are present in alveoli and ciliated airway cells. Acute infection with SARS-CoV-2 was highly cytopathic and induced a robust and sustained type-I interferon and inflammatory cytokine and chemokine response. Finally, we evaluated a therapeutic and pre-exposure prophylaxis strategy for SARS-CoV-2 infection. Our results show that therapeutic and prophylactic administration of EIDD-2801—an oral broad-spectrum antiviral agent that is currently in phase II/III clinical trials—markedly inhibited SARS-CoV-2 replication in vivo, and thus has considerable potential for the prevention and treatment of COVID-19. Human and bat coronaviruses replicate efficiently in immunodeficient mice implanted with human lung tissue, and treatment or prophylaxis using EIDD-2801 in this model suggests that this oral antiviral agent may be effective in preventing COVID-19.

Macrophages have long been considered to contribute to HIV infection of the CNS; however, a recent study has contradicted this early work and suggests that myeloid cells are not an in vivo source of virus production. Here, we addressed the role of macrophages in HIV infection by first analyzing monocytes isolated from viremic patients and patients undergoing antiretroviral treatment. We were unable to find viral DNA or viral outgrowth in monocytes isolated from peripheral blood. To determine whether tissue macrophages are productively infected, we used 3 different but complementary humanized mouse models. Two of these models (bone marrow/liver/thymus [BLT] mice and T cell–only mice [ToM]) have been previously described, and the third model was generated by reconstituting immunodeficient mice with human CD34+ hematopoietic stem cells that were devoid of human T cells (myeloid-only mice [MoM]) to specifically evaluate HIV replication in this population. Using MoM, we demonstrated that macrophages can sustain HIV replication in the absence of T cells; HIV-infected macrophages are distributed in various tissues including the brain; replication-competent virus can be rescued ex vivo from infected macrophages; and infected macrophages can establish de novo infection. Together, these results demonstrate that macrophages represent a genuine target for HIV infection in vivo that can sustain and transmit infection.

Tau acetylation has recently emerged as a dominant post-translational modification (PTM) in Alzheimer's disease (AD) and related tauopathies. Mass spectrometry studies indicate that tau acetylation sites cluster within the microtubule (MT)-binding region (MTBR), suggesting acetylation could regulate both normal and pathological tau functions. Here, we combined biochemical and cell-based approaches to uncover a dual pathogenic mechanism mediated by tau acetylation. We show that acetylation specifically at residues K280/K281 impairs tau-mediated MT stabilization, and enhances the formation of fibrillar tau aggregates, highlighting both loss and gain of tau function. Full-length acetylation-mimic tau showed increased propensity to undergo seed-dependent aggregation, revealing a potential role for tau acetylation in the propagation of tau pathology. We also demonstrate that methylene blue, a reported tau aggregation inhibitor, modulates tau acetylation, a novel mechanism of action for this class of compounds. Our study identifies a potential "two-hit" mechanism in which tau acetylation disengages tau from MTs and also promotes tau aggregation. Thus, therapeutic approaches to limit tau K280/K281 acetylation could simultaneously restore MT stability and ameliorate tau pathology in AD and related tauopathies.

Human Papillomavirus (HPV)-associated oral disease has increased during the era of HIV antiretroviral therapy. HPV and HIV proteins may be co-present at mucosal surfaces. Recent published studies have determined that HIVtat is secreted in the saliva and has been detected in oral mucosa even in the context of antiretroviral therapy. We hypothesized that HIVtat promoted oral HPV pathogenesis. Clinical HPV16 cloned episomes were introduced into differentiated oral epithelial cells (OKF6tert1). HIVtat mediated transactivation, DNA damage, oxidative stress, and effects on cellular differentiation were assessed. Detection of keratin 10 and of loricrin confirmed terminal differentiation. Sodium butyrate-treated (NaB) cells demonstrated an eight-fold increase in cross-linked involucrin, suggesting full terminal differentiation. HIVtat modulated this differentiation both in the presence and absence of NaB. Later viral events, including E6* and E1^E4 gene expression were assessed. HIVtat mediated relief of repressed L1 expression that mapped to a known inhibitory region (nucleotides 5561-6820). Viruses from HIVtat co-expressing cells exhibited robust de novo HPV16 infection. In conclusion, a novel oral keratinocyte monolayer system supported replication of an HPV16 clinical isolate where direct HIVtat and oral HPV interactions enhanced HPV de novo infection.

Abstract We report on how the ER-associated-autophagy pathway (ERAA) delivers P23H-rhodopsin (P23H-R) to the lysosome. P23H-R accumulates in an ERAD-resistant conformation that is stabilized by DNAJB12 and Hsp70. P23H-R, DNAJB12, and FIP200 co-localize in discrete foci that punctuate the rim of omegasome rings coated by WIPI1. P23H-R tubules thread through the wall of WIPI1 rings into their central cavity. Transfer of P23H-R from ER-connected phagophores to lysosomes requires GABARAP, and is associated with the transient docking of lysosomes to WIPI1 rings. Instances of lysosomes docking to WIPI1 foci are constitutive, and increase 250% upon P23H-R expression. After departure from WIPI1 rings, new patches of P23H-R are seen in the membranes of lysosomes. The absence of GABARAP prevents transfer of P23H-R from phagophores to lysosomes without interfering with docking. These data identify lysosome docking to omegasomes as an important step in the DNAJB12 and GABARAP-dependent autophagic disposal of dominantly toxic P23H-R.

Human Papillomavirus (HPV) associated oral disease continues to increase, both in the context of immune competence and of immune suppression. There are few models of oral HPV infection and current models are laborious. We hypothesized that differentiated oral epithelial cells could support the HPV life cycle. Clinical HPV16 cloned episomes were introduced into differentiated oral epithelial cells (OKF6tert1). Viral and cellular gene expression was assessed in the presence or absence of sodium butyrate, a differentiating agent that moved the cells to full terminal differentiation. Detection of keratin 10, cross-linked involucrin, and loricrin in the presence and absence of sodium butyrate confirmed terminal differentiation. Increasing sodium butyrate concentrations in the absence of HPV, were associated with decreased suprabasal markers and increased terminal differentiation markers. However, in the presence of HPV and of increasing sodium butyrate concentrations, both mitotic and suprabasal markers were increased and the terminal differentiation marker, loricrin, decreased. In this unique differentiated state, early and late viral gene products were detected including spliced mRNAs for E6*, E1^E4, and L1. E7 and L1 proteins were detected. The ratio of late (E1^E4) to early (E6/E7) transcripts in HPV16+ OKF6tert1 cells was distinct compared to HPV16+ C33a cells. Consistent with permissive HPV replication, DNA damage responses (phospho-chk2, gamma-H2AX), HPV E2-dependent LCR transactivation, and DNase-resistant particles were detected and visualized by transmission electron microscopy. In sum, monolayers of differentiated immortalized oral epithelial cells supported the full HPV life cycle. HPV may optimize the differentiation state of oral epithelial cells to facilitate its replication.

ABSTRACT Autophagy is a conserved process that recycles cellular contents to promote survival. Although nitrogen starvation is the canonical inducer of autophagy, recent studies have revealed several other nutrients important to this process. In this study, we used a quantitative, high-throughput assay to identify potassium starvation as a new and potent inducer of autophagy. We found that potassium-dependent autophagy requires the core pathway kinases Atg1, Atg5, Vps34, as well as other components of Phosphatidylinositol 3-kinase Complex I. Transmission electron microscopy revealed abundant autophagosome formation in response to both stimuli. RNA sequencing indicated distinct transcriptional responses – nitrogen affects transport of ions such as copper while potassium targets the organization of other cellular components. Thus, nitrogen and potassium share the ability to influence metabolic supply and demand but do so in different ways. Both inputs promote catabolism through bulk autophagy, but inhibit cellular anabolism through distinct mechanisms.