Inosine modulates antitumor immunity Checkpoint blockade immunotherapy harnesses the immune system to kill cancer cells and has been used with great success to treat certain tumors, but not all cancer patients respond. The efficacy of checkpoint blockade immunotherapy has been shown to depend on the presence of distinct, beneficial bacteria residing in the gut of patients, but how the microbiome mediates such beneficial effects is unclear. Mager et al. found that specific bacteria produce a metabolite called inosine that enhances the effect of checkpoint blockade immunotherapy (see the Perspective by Shaikh and Sears). In mouse models, inosine, together with proinflammatory stimuli and immunotherapy, strongly enhanced the antitumor capacities of T cells in multiple tumor types, including colorectal cancer, bladder cancer, and melanoma. Science , this issue p. 1481 ; see also p. 1427

Abstract Romidepsin (depsipeptide or FK228) is a histone deacetylase inhibitor, one of a new class of agents active in T-cell lymphoma. A phase 2 trial was conducted in cutaneous (CTCL) and peripheral (PTCL) T-cell lymphoma. Major and durable responses in CTCL supported the approval of romidepsin for CTCL. Forty-seven patients with PTCL of various subtypes including PTCL NOS, angioimmunoblastic, ALK-negative anaplastic large cell lymphoma, and enteropathy-associated T-cell lymphoma were enrolled. All patients had received prior therapy with a median of 3 previous treatments (range 1-11); 18 (38%) had undergone stem-cell transplant. All patients were evaluated for toxicity; 2 patients discovered to be ineligible were excluded from response assessment. Common toxicities were nausea, fatigue, and transient thrombocytopenia and granulocytopenia. Complete responses were observed in 8 and partial responses in 9 of 45 patients, for an overall response rate of 38% (95% confidence interval 24%-53%). The median duration of overall response was 8.9 months (range 2-74). Responses were observed in various subtypes, with 6 responses among the 18 patients with prior stem-cell transplant. The histone deacetylase inhibitor romidepsin has single agent clinical activity associated with durable responses in patients with relapsed PTCL. This study has been registered at clinicaltrials.gov as NCT00007345.

Abstract The lack of microbial genomes and isolates from the deep seabed means that very little is known about the ecology of this vast habitat. Here, we investigated energy and carbon acquisition strategies of microbial communities from three deep seabed petroleum seeps (3 km water depth) in the Eastern Gulf of Mexico. Shotgun metagenomic analysis revealed that each sediment harbored diverse communities of chemoheterotrophs and chemolithotrophs. We recovered 82 metagenome-assembled genomes affiliated with 21 different archaeal and bacterial phyla. Multiple genomes encoded enzymes for anaerobic oxidation of aliphatic and aromatic compounds, including those of candidate phyla Aerophobetes, Aminicenantes, TA06 and Bathyarchaeota. Microbial interactions are predicted to be driven by acetate and molecular hydrogen. These findings are supported by sediment geochemistry, metabolomics, and thermodynamic modelling. Overall, we infer that deep-sea sediments experiencing thermogenic hydrocarbon inputs harbor phylogenetically and functionally diverse communities potentially sustained through anaerobic hydrocarbon, acetate and hydrogen metabolism.

Abstract Metabolomics is a mainstream approach for investigating the metabolic underpinnings of complex biological phenomena and is increasingly being applied to large scale studies involving hundreds or thousands of samples. Although metabolomics methods are robust in smaller scale studies, they can be challenging to apply in larger cohorts due to the inherent variability of liquid chromatography mass spectrometry (LC-MS). Much of this difficulty results from the time-dependent changes in the LC-MS system, which affects both the qualitative and quantitative performance of the instrument. Herein, we introduce an analytical strategy for addressing this problem in large-scale microbial studies. Our approach quantifies microbial boundary fluxes using two zwitterionic hydrophilic interaction liquid chromatography (ZIC-HILIC) columns that are plumbed to enable offline column equilibration. Using this strategy, we show that over 360 common metabolites can be resolved in 4.5 minutes per sample and that metabolites can be quantified with a median coefficient of variation of 0.127 across 1,100 technical replicates. We illustrate the utility of this strategy via an analysis of 960 strains of Staphylococcus aureus isolated from blood stream infections. These data capture the diversity of metabolic phenotypes observed in clinical isolates and provide an example of how large-scale investigations can leverage our novel analytical strategy.

ABSTRACT Pel is an N -acetylgalactosamine rich polysaccharide that contributes to the structure and function of Pseudomonas aeruginosa biofilms. The pelABCDEFG operon is highly conserved among diverse bacterial species, and thus Pel may be a widespread biofilm determinant. Previous annotation of pel gene clusters led us to identify an additional gene, pelX , that is found adjacent to pelABCDEFG in over 100 different bacterial species. The pelX gene is predicted to encode a member of the short-chain dehydrogenase/reductase (SDR) superfamily of enzymes, but its potential role in Pel-dependent biofilm formation is unknown. Herein, we have used Pseudomonas protegens Pf-5 as a model to understand PelX function as P. aeruginosa lacks a pelX homologue in its pel gene cluster. We find that P. protegens forms Pel-dependent biofilms, however, despite expression of pelX under these conditions, biofilm formation was unaffected in a Δ pelX strain. This observation led to our identification of the pelX paralogue, PFL_5533, which we designate pgnE , that appears to be functionally redundant to pelX . In line with this, a Δ pelX Δ pgnE double mutant was substantially impaired in its ability to form Pel-dependent biofilms. To understand the molecular basis for this observation, we determined the structure of PelX to 2.1Å resolution. The structure revealed that PelX resembles UDP- N -acetylglucosamine (UDP-GlcNAc) C4-epimerases and, using 1 H NMR analysis, we show that PelX catalyzes the epimerization between UDP-GlcNAc and UDP-GalNAc. Taken together, our results demonstrate that Pel-dependent biofilm formation requires a UDP-GlcNAc C4-epimerase that generates the UDP-GalNAc precursors required by the Pel synthase machinery for polymer production.

Metabolomics is a powerful tool for uncovering biochemical diversity in a wide range of organisms, and metabolic network modeling is commonly used to frame results in the context of a broader homeostatic system. However, network modeling of poorly characterized, non-model organisms remains challenging due to gene homology mismatches. To address this challenge, we developed Metabolic Interactive Nodular Network for Omics (MINNO), a web-based mapping tool that takes in empirical metabolomics data to refine metabolic networks for both model and unusual organisms. MINNO allows users to create and modify interactive metabolic pathway visualizations for thousands of organisms, in both individual and multi-species contexts. Herein, we demonstrate an important application of MINNO in elucidating the metabolic networks of understudied species, such as those of the Borrelia genus, which cause Lyme disease and relapsing fever. Using a hybrid genomics-metabolomics modeling approach, we constructed species-specific metabolic networks for three Borrelia species. Using these empirically refined networks, we were able to metabolically differentiate these genetically similar species via their nucleotide and nicotinate metabolic pathways that cannot be predicted from genomic networks. These examples illustrate the use of metabolomics for the empirical refining of genetically constructed networks and show how MINNO can be used to study non-model organisms.

Abstract Dilated cardiomyopathy with ataxia (DCMA) syndrome is a rare mitochondrial disorder caused by mutations in the poorly understood DNAJC19 gene. The clinical presentation of DCMA is very diverse with symptoms ranging from mild cardiac dysfunction to intractable heart failure leading to death in early childhood. Although several lines of evidence indicate that DCMA symptoms are linked to mitochondrial function, the molecular underpinnings of this disease are unclear and there is no way to predict which patients are at risk for developing life-threatening symptoms. To address this we developed a metabolic flux assay for assessing the metabolic function of mitochondria in dermal fibroblasts derived from DCMA patients. Using this approach we discovered that fibroblasts from patients with DCMA showed elevated glutamine uptake, increased glutamate and ammonium secretion, and elevated lactate production when compared to controls. Moreover, the magnitude of these metabolic perturbations was closely correlated with patient cardiac dysfunction. This clinical/metabolic correlation was confirmed in a second blinded cohort of DCMA fibroblasts. Moreover, our metabolic flux diagnostic strategy correctly differentiated severe from mild DCMA cases with only one incorrect patient classification (positive predictive value 1.0 and negative predictive value 0.83). These findings suggest that glutamine catabolism is abnormal in DCMA and may serve as an early biomarker for predicting clinical progression. One Sentence Summary Alterations in glutamine and lactate metabolism in patient-derived dermal fibroblasts are associated with the severity of cardiomyopathy in DCMA.

At marine cold seeps, gaseous and liquid hydrocarbons migrate from deep subsurface origins to the sediment-water interface. Cold seep sediments are known to host taxonomically diverse microorganisms, but little is known about their metabolic potential and depth distribution in relation to hydrocarbon and electron acceptor availability. In this work, we combined geochemical, metagenomic and metabolomic measurements in distinct sediment redox regimes to profile microbial activities within the uppermost 350 cm of a newly discovered cold seep in the NW Atlantic deep sea (2.3 km water depth). Depth-resolved metagenomic profiling revealed compositional and functional differentiation between near-surface sediments (dominated by Proteobacteria) and deeper subsurface layers (dominated by Atribacteria, Chloroflexi, Euryarchaeota and Lokiarchaeota). Metabolic capabilities of community members were inferred from 376 metagenome-assembled genomes spanning 46 phyla (including five novel candidate phyla). In deeper sulfate-reducing and methanogenic sediments, various community members are capable of anaerobically oxidizing short-chain alkanes (alkyl-CoM reductase pathway), longer-chain alkanes (fumarate addition pathway), and aromatic hydrocarbons (fumarate addition and subsequent benzoyl-CoA pathways). Geochemical profiling demonstrated that hydrocarbon substrates are abundant in this location, thermogenic in origin, and subject to biodegradation. The detection of alkyl-/arylalkylsuccinate metabolites, together with carbon isotopic signatures of ethane, propane and carbon dioxide, support that microorganisms are actively degrading hydrocarbons in these sediments. Hydrocarbon oxidation pathways operate alongside other deep seabed metabolisms such as sulfide oxidation, hydrogen oxidation, carbon fixation, fermentation and reductive dehalogenation. Upward migrated thermogenic hydrocarbons thus sustain diverse microbial communities with activities that affect subseafloor biogeochemical processes across the redox spectrum in deep sea cold seeps.

Mycophenolate mofetil (MMF) is commonly prescribed after transplantation and has proven advantages over other immunosuppressive drugs but gastrointestinal (GI) side effects frequently limit its use. The pathways involved in the metabolism of the prodrug MMF and the bioactive derivative mycophenolic acid (MPA) are well characterized but the mechanism responsible for toxicity is unknown. Here we extend our previous observation that an intact gut microbiome is required for MMF-induced toxicity and demonstrate that gut bacterial metabolism is responsible for the GI inflammation and weight loss associated with MMF exposure. In mice consuming MMF, the introduction of vancomycin alone was sufficient to prevent or reverse MMF-induced weight loss and colonic inflammation. MMF induced the expansion of bacteria expressing β-glucuronidase (GUS) in the cecum and proximal colon. GUS activity, which is responsible for the catabolism of glucuronidated MPA (MPAG) to free MPA, was increased in the presence of MMF and eliminated by vancomycin. Vancomycin eliminated multiple Bacteroides spp. that flourished in the presence of MMF and prevented the breakdown of MPAG without negatively affecting serum MPA levels. Human data suggests that increased stool GUS activity can be associated with MMF-related toxicity. Our work provides a mechanism for the GI toxicity associated with MMF and a future direction for the development of therapeutics.