Abstract Fast and reliable detection of patients with severe and heterogeneous illnesses is a major goal of precision medicine 1,2 . Patients with leukaemia can be identified using machine learning on the basis of their blood transcriptomes 3 . However, there is an increasing divide between what is technically possible and what is allowed, because of privacy legislation 4,5 . Here, to facilitate the integration of any medical data from any data owner worldwide without violating privacy laws, we introduce Swarm Learning—a decentralized machine-learning approach that unites edge computing, blockchain-based peer-to-peer networking and coordination while maintaining confidentiality without the need for a central coordinator, thereby going beyond federated learning. To illustrate the feasibility of using Swarm Learning to develop disease classifiers using distributed data, we chose four use cases of heterogeneous diseases (COVID-19, tuberculosis, leukaemia and lung pathologies). With more than 16,400 blood transcriptomes derived from 127 clinical studies with non-uniform distributions of cases and controls and substantial study biases, as well as more than 95,000 chest X-ray images, we show that Swarm Learning classifiers outperform those developed at individual sites. In addition, Swarm Learning completely fulfils local confidentiality regulations by design. We believe that this approach will notably accelerate the introduction of precision medicine.

Abstract Guanylate binding proteins (GBPs) are large interferon-inducible GTPases, executing essential host defense activities against Toxoplasma gondii, an invasive intracellular apicomplexan protozoan parasite of global importance. T. gondii establishes a parasitophorous vacuole (PV) which shields the parasite from the host’s intracellular defense mechanisms. Murine GBPs (mGBPs) recognize T. gondii PVs and assemble into supramolecular mGBP homo- and heterocomplexes that are required for the disruption of the membrane of PVs eventually resulting in the cell-autonomous immune control of vacuole-resident pathogens. We have previously shown that mGBP2 plays an important role in T. gondii immune control. Here, to unravel mGBP2 functions, we report Galectin-9 (Gal9) as a critical mGBP2 interaction partner engaged for immunity to T. gondii . Interestingly, Gal9 also accumulates and colocalizes with mGBP2 at the T. gondii PV. Furthermore, we could prove the requirement of Gal9 for growth control of T. gondii by CRISPR/Cas9 mediated gene editing. These discoveries clearly indicate that Gal9 is a crucial factor for the mGBP2 coordinated cell autonomous host defense mechanism against T. gondii .

ABSTRACT Guanylate-binding proteins (GBPs) are a group of GTPases that are induced by interferon-γ and are crucial components of cell-autonomous immunity against intracellular pathogens. Here, we examine murine GBP2 (mGBP2), which we have previously shown to be an essential effector protein for the control of Toxoplasma gondii replication, with its recruitment through the membrane of the parasitophorous vacuole and its involvement in the destruction of this membrane likely playing a role. The overall aim of our work is to provide a molecular-level understanding of the mutual influences of mGBP2 and the parasitophorous vacuole membrane. To this end, we performed lipid-binding assays which revealed that mGBP2 has a particular affinity for cardiolipin. This observation was confirmed by fluorescence microscopy using giant unilamellar vesicles of different lipid compositions. To obtain an understanding of the protein dynamics and how this is affected by GTP binding, mGBP2 dimerization, and membrane binding, assuming that each of these steps are relevant for the function of the protein, we carried out standard as well as replica exchange molecular dynamics simulations with an accumulated simulation time of more than 30 μ s. The main findings from these simulations are that mGBP2 features a large-scale hinge motion in its M/E domain, which is present in each of the studied protein states. When bound to a cardiolipin-containing membrane, this hinge motion is particularly pronounced, leading to an up and down motion of the M/E domain on the membrane, which did not occur on a membrane without cardiolipin. Our prognosis is that this up and down motion has the potential to destroy the membrane following the formation of supramolecular mGBP2 complexes on the membrane surface.

Abstract Guanylate binding proteins (GBPs) are interferon- γ -activated large GTPases, effective against intracellular pathogens like Toxoplasma gondii . Their host-protective functions require oligomerization, however, the oligomer structures have not been completely resolved yet. Here, we provide dimer models for hGBP1 and the murine GBPs 2 and 7 (mGBP2 and mGBP7) based on integrative modeling that involves the crystal structure of the G domain dimer of hGBP1, cross-linking mass spectrometry (XL-MS), small angle X-ray scattering (SAXS), protein-protein docking, and molecular dynamics (MD) simulations of hGBP1, mGBP2 and mGBP7. We first compare the sequences and protein dynamics of the monomeric hGBP1, mGBP2, and mGBP7, finding that the M/E domain of all three proteins is highly mobile featuring a hinge movement, yet this motion is less pronounced in mGBP7 while its GTPase (G) domain is more flexible. These differences can be explained by the variations in the sequences between mGBP7 and hGBP1/mGBP2 and extend to their dimers. While hGBP1 and its close orthologue mGBP2 dimerize via their G domains, mGBP7 shows a variety of possible dimer structures, among them parallel and crossed-stalk conformations. The G domain is only partly involved in mGBP7 dimerization, which provides a rational why mGBP7, unlike hGBP1 and mGBP2, can dimerize in the absence of GTP. The different GBP dimer structures, which still exhibit hinge movements to certain degrees, are expected to encode diverging functions, such as a destabilization of pathogenic membranes or fusion of the parasitophorous vacuole membrane with the autophagic machinery.

Abstract The LTβR plays an essential role in the initiation of immune responses to intracellular pathogens. In mice, the LTβR is crucial for surviving acute toxoplasmosis, however, up to now a functional analysis is largely incomplete. Here, we demonstrate that the LTβR is a key regulator required for the intricate balance of adaptive immune responses. T. gondii infected LTβR −/− mice show globally altered IFNγ regulation, reduced IFNγ-controlled host effector molecule expression, impaired T cell functionality and an absent anti-parasite specific IgG response resulting in a severe loss of immune control of the parasites. Reconstitution of LTβR −/− mice with toxoplasma immune serum significantly prolongs the survival following T. gondii infection. Notably, analysis of RNAseq data clearly indicates a specific effect of T. gondii infection on the B cell response and isotype switching. This study unfolds the decisive role of the LTβR in cytokine regulation and adaptive immune responses to control T. gondii .

Abstract Infection with the intracellular bacterium Coxiella (C.) burnetii can cause chronic Q fever with severe complications and limited treatment options. Here, we identify the enzyme cis- aconitate decarboxylase 1 (ACOD1 or IRG1) and its product itaconate as protective host immune pathway in Q fever. Infection of mice with C. burnetii induced expression of several anti-microbial candidate genes, including Acod1 . In macrophages, Acod1 was essential for restricting C. burnetii replication, while other antimicrobial pathways were dispensable. Intratracheal or intraperitoneal infection of Acod1 -/- mice caused increased C. burnetii burden, significant weight loss and stronger inflammatory gene expression. Exogenously added itaconate restored pathogen control in Acod1 -/- mouse macrophages and blocked replication in human macrophages. In axenic cultures, itaconate directly inhibited growth of C. burnetii . Finally, treatment of infected Acod1 -/- mice with itaconate efficiently reduced the tissue pathogen load. Thus, ACOD1-derived itaconate is a key factor in the macrophage-mediated defense against C. burnetii and may be exploited for novel therapeutic approaches in chronic Q fever.

Inflammasome activation leads release of IL-1b, a proinflammatory cytokine that drives antimicrobial immune responses. Toxoplasma gondii has been shown to activate the NLRP3 inflammasome but the trigger has not yet been identified. Here we provide evidence that vacuolar disruption is a prerequisite for NLRP3 activation. T. gondii type I ROP5 and ROP18 protect the parasitophorous vacuolar membrane (PVM) and thereby inhibit inflammasome activation and IL-1b release. Besides protection of the PVM, we demonstrate an additional function of ROP5 and ROP18 for NLRP3 inhibition. We demonstrate the molecular mechanism of this inhibition includes direct interaction with GBP5. In conclusion, T. gondii ROP5 and ROP18 inhibit IL-1β production by protection of the intracellular replicative niche of the parasite and by actively subverting NLRP3 activation. Our findings provide further insight into the intricate mechanisms governing inflammasome activation and inhibition, enhancing our understanding of the complex dynamics during T. gondii infection.

Abstract The gut microbiome is a diverse ecosystem, dominated by bacteria; however, fungi, phages/viruses, archaea, and protozoa are also important members of the gut microbiota. Up to recently, exploration of taxonomic compositions beyond bacteria as well as an understanding of the interaction between the bacteriome with the other members was limited due to 16S rDNA sequencing. Here, we developed MetaGut, a method enabling the simultaneous interrogation of the gut microbiome (bacteriome, mycobiome, archaeome, eukaryome, DNA virome) and of antibiotic resistance genes based on optimized long-read shotgun metagenomics protocols and custom bioinformatics. Using MetaGut we investigated the longitudinal composition of the gut microbiome in an exploratory clinical study in patients undergoing allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (alloHSCT; n = 31). Pre-transplantation microbiomes exhibited a 3-cluster structure, associated with Bacteroides / Phocaeicola , mixed composition and Enterococcus abundances. MetaGut revealed substantial inter-individual and temporal variabilities of microbial domain compositions, human DNA, and antibiotic resistance genes during the course of alloHSCT. Interestingly, viruses and fungi accounted for substantial proportions of microbiome content in individual samples (up to >50% and >20%, respectively). After leukopenia, strains were stable or newly acquired. Our results demonstrate the disruptive effect of alloHSCT on the gut microbiome and pave the way for future studies based on long-read metagenomics.