The ClyA protein is a pore-forming cytotoxin expressed by Escherichia coli and some other enterobacteria. It confers cytotoxic activity toward mammalian cells, but it has remained unknown how ClyA is surface exposed and exported from bacterial cells. Outer-membrane vesicles (OMVs) released from the bacteria were shown to contain ClyA protein. ClyA formed oligomeric pore assemblies in the OMVs, and the cytotoxic activity toward mammalian cells was considerably higher than that of ClyA protein purified from the bacterial periplasm. The redox status of ClyA correlated with its ability to form the oligomeric pore assemblies. In bacterial cells with a defective periplasmic disulphide oxidoreductase system, the ClyA protein was phenotypically expressed in a constitutive manner. The results define a vesicle-mediated transport mechanism in bacteria, and our findings show that the localization of proteins to OMVs directly may contribute to the activation and delivery of pathogenic effector proteins.

A functionally diverse superfamily of bacterial phospholipase enzymes that mediate antagonisitc interactions as effectors of the type VI secretion system is uncovered; these enzymes degrade the bacterial membrane, representing a novel mechanism of bacterial competition. Secreted bacterial phospholipases have important roles in bacterial pathogenesis, targeting host cellular membranes and causing tissue destruction, inflammation and the disruption of intracellular trafficking pathways. Here Joseph Mougous and colleagues report the discovery of a diverse superfamily of bacterial phospholipases and show that they do more than simply target eukaryotic host cells. They also have intra- and interspecies antibacterial activity through the degradation of phosphatidylethanolamine in bacterial membranes. This work suggests that interbacterial interactions may be significant factors in the progression of infections, and indicates vulnerabilities that might yield candidate antibacterial targets. Membranes allow the compartmentalization of biochemical processes and are therefore fundamental to life. The conservation of the cellular membrane, combined with its accessibility to secreted proteins, has made it a common target of factors mediating antagonistic interactions between diverse organisms. Here we report the discovery of a diverse superfamily of bacterial phospholipase enzymes. Within this superfamily, we defined enzymes with phospholipase A1 and A2 activity, which are common in host-cell-targeting bacterial toxins and the venoms of certain insects and reptiles1,2. However, we find that the fundamental role of the superfamily is to mediate antagonistic bacterial interactions as effectors of the type VI secretion system (T6SS) translocation apparatus; accordingly, we name these proteins type VI lipase effectors. Our analyses indicate that PldA of Pseudomonas aeruginosa, a eukaryotic-like phospholipase D3, is a member of the type VI lipase effector superfamily and the founding substrate of the haemolysin co-regulated protein secretion island II T6SS (H2-T6SS). Although previous studies have specifically implicated PldA and the H2-T6SS in pathogenesis3,4,5, we uncovered a specific role for the effector and its secretory machinery in intra- and interspecies bacterial interactions. Furthermore, we find that this effector achieves its antibacterial activity by degrading phosphatidylethanolamine, the major component of bacterial membranes. The surprising finding that virulence-associated phospholipases can serve as specific antibacterial effectors suggests that interbacterial interactions are a relevant factor driving the continuing evolution of pathogenesis.

ABSTRACT The protein MakA was discovered as a motility-associated secreted toxin from Vibrio cholerae , Here, we show that MakA is part of a gene cluster encoding four additional proteins: MakB, MakC, MakD and MakE. The MakA, MakB and MakE proteins were readily detected in culture supernatants of wild type V. cholerae whereas secretion was very much reduced from a flagellum deficient mutant. Crystal structures of MakA, MakB and MakE revealed structural relationship to a superfamily of bacterial pore-forming proteins. Cloning and expression of MakA/B/E in Escherichia coli resulted in toxicity of the bacteria towards Caenorhabditis elegans used as a predatory organism model. None of these Mak proteins alone or in pairwise combinations were cytolytic but an equimolar mixture of MakA, MakB and MakE acted as a tripartite cytolytic toxin in vitro causing lysis of erythrocytes and cytotoxicity on cultured human colon carcinoma cells. Formation of oligomeric complexes on liposomes was observed by electron microscopy. Oligomer interaction with membranes was initiated by MakA membrane binding followed by MakB and MakE joining in formation of a pore structure. A predicted membrane insertion domain of MakA was shown by site-directed mutagenesis to be essential for toxicity towards C. elegans . Bioinformatic analyses revealed that the makCDBAE gene cluster is present as a novel genomic island in the vast majority of sequenced genomes of V. cholerae and the fish pathogen V. anguillarum . We suggest that the hitherto unrecognized cytolytic MakA/B/E toxin can contribute to Vibrionaceae fitness and virulence potential in different host environments and organisms. Significance Statement Vibrio cholerae , responsible for outbreaks and pandemics of cholera disease, is a highly motile organism by virtue of a single flagellum. We describe that the flagellum facilitates the secretion of three V. cholerae proteins encoded by a hitherto unrecognized novel genomic island. The proteins MakA/B/E can form a tripartite cytolytic toxin that lyses erythrocytes and is cytotoxic to cultured human cells. A structural basis for the Mak protein cytolytic activity was obtained by X-ray crystallography. Flagellum-facilitated secretion, remarkably ensuring spatially co-ordinated delivery of Mak proteins, revealed a new role for the V. cholerae flagellum considered of particular significance for the bacterial environmental persistence. Our findings will pave the way for the development of new diagnostics and therapeutic strategies against pathogenic Vibrionaceae .

Abstract Autophagy plays an essential role in the defence against many microbial pathogens as a regulator of both innate and adaptive immunity. Among some pathogens, sophisticated mechanisms have evolved that promote their ability to evade or subvert host autophagy. Here, we describe a novel mechanism of autophagy subversion mediated by the recently discovered Vibrio cholerae cytotoxin, MakA. pH-dependent endocytosis of MakA by host cells resulted in the formation of a cholesterol-rich endolysosomal membrane aggregate in the perinuclear region. Aggregate formation induced the noncanonical autophagy pathway driving unconventional LC3 lipidation on endolysosomal membranes. Subsequent sequestration of the ATG12-ATG5-ATG16L1 E3-like enzyme complex required for LC3 lipidation at the membranous aggregate resulted in an inhibition of both canonical autophagy and autophagy-related processes including the unconventional secretion of IL-1β. These findings identify a novel mechanism of host autophagy subversion and immune modulation employed by V. cholerae during bacterial infection.

Abstract Membrane vesicles (MVs) contribute to various biological processes in bacteria, including virulence factor delivery, host immune evasion, and cross-species communication. MVs are frequently being discharged from the surface of both Gram-negative and Gram-positive bacteria during growth. In some Gram-positive bacteria, genes affecting MV biogenesis have been identified, but the mechanism of MV formation is unknown. In Enterococcus faecalis , a causative agent of life-threatening bacteraemia and endocarditis, neither mechanisms of MV formation nor their role in virulence has been examined. Since MVs of many bacterial species are implicated in host-pathogen interactions, biofilm formation, horizontal gene transfer, and virulence factor secretion in other species, we sought to identify, describe, and functionally characterize MVs from E. faecalis . Here we show that E. faecalis releases MVs that possess unique lipid and protein profiles, distinct from the intact cell membrane, and are enriched in lipoproteins. MVs of E. faecalis are specifically enriched in unsaturated lipids that might provide membrane flexibility to enable MV formation, providing the first insights into the mechanism of MV formation in this Gram-positive organism.

Abstract Many pathogenic bacteria produce protein toxins that target and perturb host cell membranes. The secreted α-pore-forming toxins (α-PFTs) cause membrane damage via pore formation. This study demonstrates a remarkable, hitherto unknown mechanism by an α-PFT protein from Vibrio cholerae . As part of the MakA/B/E tripartite toxin, MakA is involved in membrane pore formation similar to other α-PFTs. In contrast, MakA protein alone induces tube-like structures in the acidic lysosomal host cell compartment. In vitro studies unravel the dynamics of tubular growth, which occur in a pH-, lipid- and concentration-dependent manner. A 3.7-Å cryo-electron microscopy structure of MakA filaments reveals a unique protein-lipid superstructure. In its active α-PFT conformation, MakA embeds its transmembrane helices into a thin annular lipid bilayer and spirals around a central cavity. Our study provides molecular insights into a novel tubulation mechanism of an α-PFT protein, revealing a new mode of action by a secreted bacterial toxin.