Mal (MyD88-adapter-like) is required for Toll-like receptor-4 signal transduction

The recognition of microbial pathogens by the innate immune system involves Toll-like receptors (TLRs), which recognize pathogen-associated molecular patterns. Different TLRs recognize different pathogen-associated molecular patterns, with TLR-4 mediating the response to lipopolysaccharide from Gram-negative bacteria. All TLRs have a Toll/IL-1 receptor (TIR) domain, which is responsible for signal transduction. MyD88 is one such protein that contains a TIR domain. It acts as an adapter, being involved in TLR-2, TLR-4 and TLR-9 signalling; however, our understanding of how TLR-4 signals is incomplete. Here we describe a protein, Mal (MyD88-adapter-like), which joins MyD88 as a cytoplasmic TIR-domain-containing protein in the human genome. Mal activates NF-kappaB, Jun amino-terminal kinase and extracellular signal-regulated kinase-1 and -2. Mal can form homodimers and can also form heterodimers with MyD88. Activation of NF-kappaB by Mal requires IRAK-2, but not IRAK, whereas MyD88 requires both IRAKs. Mal associates with IRAK-2 by means of its TIR domain. A dominant negative form of Mal inhibits NF-kappaB, which is activated by TLR-4 or lipopolysaccharide, but it does not inhibit NF-kappaB activation by IL-1RI or IL-18R. Mal associates with TLR-4. Mal is therefore an adapter in TLR-4 signal transduction.

Exhaustive Exercise Increases Inflammatory Response via Toll Like Receptor-4 and NF-kappa Bp65 Pathway in Rat Adipose Tissue

Cytokines (IL-6, IL-10, and TNF-alpha) are increased after exhaustive exercise in the retroperitoneal adipose tissue (RPAT) and mesenteric adipose tissue (MEAT). An exhaustive acute exercise protocol induces inflammation in adipose tissue that lasts 6 h after the exercise has ended. It is well-established that this protocol increases circulating plasma levels of non-esterified fatty acids (NEFAs) and lipopolysaccharides (LPS), compounds that are important in stimulating signaling via toll like receptor-4 (TLR-4) in different type cells. In the present study, we investigated the regulation of TLR-4 and DNA-binding of nuclear factor-kappa Bp65 (NF-kappa Bp65) in different depots of adipose tissue in rats after exhaustive exercise. Rats were killed by decapitation immediately (E0 group, n = 6), 2 (E2 group, n = 6), and 6 h (E6 group, n = 6) after the exhaustive exercise, which consisted of running on a treadmill (approximately 70% V(O2max)) for 50 min and then running at an elevated rate that increased at 1 m/min, until exhaustion. The control group (C group, n = 6) was not subjected to exercise. In RPAT, TLR-4, MYD-88, and IkB alpha increased in the E2 group after exercise. MYD-88 and TRAF6 remained increased in the E6 group in comparison with the control group. DNA-binding of NF-kappa Bp65 was not altered. In MEAT, TLR-4, MYD-88, TRAF6, and DNA-binding of NF-kappa Bp65 were increased only in the E6 group. In conclusion, we have shown that increases in pro-inflammatory cytokines in adipose tissue pads after exhaustive exercise may be mediated via TLR-4 signaling, leading to increases in NF-kappa Bp65 binding to DNA in MEAT. J. Cell. Physiol. 226: 1604-1607, 2011. (C) 2010 Wiley-Liss, Inc.

Toll-like receptor 2 knockdown modulates interleukin (IL)-6 and IL-8 but not stromal derived factor-1 (SDF-1/CXCL12) in human periodontal ligament and gingival fibroblasts

Background: Fibroblasts are now seen as active components of the immune response because these cells express Toll-like receptors (TLRs), recognize pathogen-associated molecular patterns, and mediate the production of cytokines and chemokines during inflammation. The innate host response to lipopolysaccharide (LPS) from Porphyromonas gingivalis is unusual inasmuch as different studies have reported that it can be an agonist for Toll-like receptor 2 (TLR2) and an antagonist or agonist for Toll-like receptor 4 (TLR4). This study investigates and compares whether signaling through TLR2 or TLR4 could affect the secretion of interleukin (IL)-6, IL-8, and stromal derived factor-1 (SDF-1/CXCL12) in both human gingival fibroblasts (HGF) and human periodontal ligament fibroblasts (HPDLF). Methods: After small interfering RNA-mediated silencing of TLR2 and TLR4, HGF and HPDLF from the same donors were stimulated with P. gingivalis LPS or with two synthetic ligands of TLR2, Pam2CSK4 and Pam3CSK4, for 6 hours. IL-6, IL-8, and CXCL12mRNA expression and protein secretion were evaluated by quantitative polymerase chain reaction and enzymelinked immunosorbent assay, respectively. Results: TLR2 mRNA expression was upregulated in HGF but not in HPDLF by all the stimuli applied. Knockdown of TLR2 decreased IL-6 and IL-8 in response to P. gingivalis LPS, or Pam2CSK4 and Pam3CSK4, in a similar manner in both fibroblasts subpopulations. Conversely, CXCL12 remained unchanged by TLR2 or TLR4 silencing. Conclusion: These results suggest that signaling through TLR2 by gingival and periodontal ligament fibroblasts can control the secretion of IL-6 and IL-8, which contribute to periodontal pathogenesis, but do not interfere with CXCL12 levels, an important chemokine in the repair process.

Gastrin-Releasing Peptide Receptor Antagonism Induces Protection from Lethal Sepsis: Involvement of Toll-like Receptor 4 Signaling

In sepsis, toll-like receptor (TLR)-4 modulates the migration of neutrophils to infectious foci, favoring bacteremia and mortality. In experimental sepsis, organ dysfunction and cytokines released by activated macrophages can be reduced by gastrin-releasing peptide (GRP) receptor (GRPR) antagonist RC-3095. Here we report a link between GRPR and TLR-4 in experimental models and in sepsis patients. RAW 264.7 culture cells were exposed to lipopolysaccharide (LPS) or tumor necrosis factor (TNF)-alpha and RC-3095 (10 ng/mL), Male Wistar rats were subjected to cecal ligation and puncture (CLP), and RC-3095 was administered (3 mg/kg, subcutaneously); after 6 h, we removed the blood, bronchoalveolar lavage, peritoneal lavage and lung. Human patients with a clinical diagnosis of sepsis received a continuous infusion with RC-3095 (3 mg/kg, intravenous) over a period of 12 h, and plasma was collected before and after RC-3095 administration and, in a different set of patients with systemic inflammatory response syndrome (SIRS) or sepsis. GRP plasma levels were determined. RC-3095 inhibited TLR-4, extracellular-signal-related kinase (ERK)-1/2, Jun NH2-terminal kinase (JNK) and Akt and decreased activation of activator protein 1 (AP-1), nuclear factor (NF)-kappa B and interleukin (IL)-6 in macrophages stimulated by LPS. It also decreased IL-6 release from macrophages stimulated by TNF-alpha. RC-3095 treatment in CLP rats decreased lung TLR-4, reduced the migration of cells to the lung and reduced systemic cytokines and bacterial dissemination. Patients with sepsis and systemic inflammatory response syndrome have elevated plasma levels of GRP which associates with clinical outcome in the sepsis patients. These findings highlight the role of GRPR signaling in sepsis outcome and the beneficial action of GRPR antagonists in controlling the inflammatory response in sepsis through a mechanism involving at least inhibition of TLR-4 signaling. Online address: http://www.molmed.org doi: 10.2119/molmed.2012.00083

Toll-like receptor 2 knockdown modulates Interleukin (IL)-6 and IL-8 but not Stromal Derived Factor-1 (SDF-1/CXCL12) in human periodontal ligament and gingival fibroblasts

Background: Fibroblasts are now seen as active components of the immune response because these cells express Toll-like receptors (TLRs), recognize pathogen-associated molecular patterns, and mediate the production of cytokines and chemokines during inflammation. The innate host response to lipopolysaccharide (LPS) from Porphyromonas gingivalis is unusual inasmuch as different studies have reported that it can be an agonist for Toll-like receptor 2 (TLR2) and an antagonist or agonist for Toll-like receptor 4 (TLR4). This study investigates and compares whether signaling through TLR2 or TLR4 could affect the secretion of interleukin (IL)-6, IL-8, and stromal derived factor-1 (SDF-1/CXCL12) in both human gingival fibroblasts (HGF) and human periodontal ligament fibroblasts (HPDLF). Methods: After small interfering RNA-mediated silencing of TLR2 and TLR4, HGF and HPDLF from the same donors were stimulated with P. gingivalis LPS or with two synthetic ligands of TLR2, Pam2CSK4 and Pam3CSK4, for 6 hours. IL-6, IL-8, and CXCL12 mRNA expression and protein secretion were evaluated by quantitative polymerase chain reaction and enzyme-linked immunosorbent assay, respectively. Results: TLR2 mRNA expression was upregulated in HGF but not in HPDLF by all the stimuli applied. Knockdown of TLR2 decreased IL-6 and IL-8 in response to P. gingivalis LPS, or Pam2CSK4 and Pam3CSK4, in a similar manner in both fibroblasts subpopulations. Conversely, CXCL12 remained unchanged by TLR2 or TLR4 silencing. Conclusion: These results suggest that signaling through TLR2 by gingival and periodontal ligament fibroblasts can control the secretion of IL-6 and IL-8, which contribute to periodontal pathogenesis, but do not interfere with CXCL12 levels, an important chemokine in the repair process.

Paracellular permeability is increased by basal lipopolysaccharide in a primary culture of colonic epithelial cells; an effect prevented by an activator of Toll-like receptor-2

Lipopolysaccharide (LPS), which generally activates Toll-like receptor 4 (TLR4), is expressed on commensal colonic bacteria. In a number of tissues, LPS can act directly on epithelial cells to increase paracellular permeability. Such an effect in the colon would have an important impact on the understanding of normal homeostasis and of pathology. Our aim was to use a novel primary culture of colonic epithelial cells grown on Transwells to investigate whether LPS, or Pam(3)CSK( 4), an activator of TLR2, affected paracellular permeability. Consequently, [(14)C]-mannitol transfer and transepithelial electrical resistance (TEER) were measured. The preparation consisted primarily of cytokeratin-18 positive epithelial cells that produced superoxide, stained for mucus with periodic acid-Schiff reagent, exhibited alkaline phosphatase activity and expressed TLR2 and TLR4. Tight junctions and desmosomes were visible by transmission electron microscopy. Basally, but not apically, applied LPS from Escherichia coli increased the permeability to mannitol and to a 10-kDa dextran, and reduced TEER. The LPS from Helicobacter pylori increased paracellular permeability of gastric cells when applied either apically or basally, in contrast to colon cells, where this LPS was active only from the basal aspect. A pan-caspase inhibitor prevented the increase in caspase activity caused by basal E. coli LPS, and reduced the effects of LPS on paracellular permeability. Synthetic Pam(3)CSK(4) in the basal compartment prevented all effects of basal E. coli LPS. In conclusion, LPS applied to the base of the colonic epithelial cells increased paracellular permeability by a mechanism involving caspase activation, suggesting a process by which perturbation of the gut barrier could be exacerbated. Moreover, activation of TLR2 ameliorated such effects.

La régulation de l’hepcidine à travers les récepteurs Toll-like dans les macrophages

L'interaction entre le système immunitaire et le métabolisme du fer est bien illustrée par l'anémie des maladies chroniques (ACD), qui est fréquemment rencontrée dans les infections chroniques, l'inflammation et le cancer. La majorité des modifications dans les paramètres du fer observées dans l’ACD tient compte des modifications de l’homéostasie du fer, avec la délocalisation du métal de la circulation et les sites de l'érythropoïèse au compartiment de stockage dans les macrophages. Les mécanismes de la réponse hyposidérémique impliquent des cytokines, notamment TNF-alpha et IL-6, qui régulent les niveaux de plusieurs gènes du métabolisme du fer, y compris les transporteurs de fer et de l'hepcidine, un régulateur négatif de l’absorption du fer, ce qui entraîne l'inhibition de l'exportation du fer à travers la ferroportine 1 (FPN1) au niveau de l'intestin et les macrophages. Des études antérieures ont montré que l'IL-6 induit l’expression d’hepcidine dans les hépatocytes, mais il y a très peu de données concernant la façon par laquelle l'hepcidine et la FPN1 sont régulées dans les macrophages. Récemment, nous avons constaté que l'induction de l'hepcidine dans le foie par le lipopolysaccharide (LPS) dépend de la voie de signalisation médiée par le récepteur Toll-like 4 (TLR4). Le but de ce travail est d’identifier les ligands des TLRs capables d'induire l'hepcidine dans les macrophages et de déterminer l’exigence des TLRs dans l’induction de l’hepcidine et le développement d’hyposidérémie. En plus, nous voulons étudier l’effet de l’inflammation causée par les ligands des TLRs sur le taux de fer sérique, la production des cytokines et l'expression de l’hepcidine et de la ferroportine. D’autre part nous voulons étudier l’effet du taux du fer sur la production d’IL-6 macrophagique en réponse à la stimulation par le TLR4. D'abord, pour identifier les ligands des TLRs capables d'induire l'hepcidine dans les macrophages, nous avons traité les macrophages RAW 264.7 et les macrophages péritonéaux de souris (MPMs) avec différents ligands TLRs et on a mesuré l’expression de l'hepcidine par qRT-PCR. Nous avons observé que Pam3CSK4 (Pam), un ligand de TLR2/1; LPS, un ligand de TLR-4 et FSL1 un ligand de TLR2/6 induisent l’expression de l'hepcidine dans les cellules RAW 264.7 et les MPMs, contrairement au polyinosinic: polycytidylic acid (Poly I: C), un ligand de TLR3. De plus, LPS était capable de réprimer l’expression de la ferroportine dans les cellules RAW 264.7. Afin de mieux définir la nécessité des TLRs pour assurer cette expression, nous avons utilisé les souris TLR-2 knock-out et on a établi que l'expression de l'hepcidine dans les macrophages par LPS, Pam ou FSL1 est dépendante du TLR2. En accord avec les expériences in vitro, les études effectuées in vivo ont montré que LPS réprime l’expression de la ferroportine, ainsi que PolyI:C n’est pas capable de stimuler l'expression d'hepcidine hépatique, par contre il était efficace pour déclencher une hyposidérémie. Ensuite, on voulait déterminer la voie de signalisation utilisée dans l’induction de l’hepcidine dans les macrophages. Comme il y deux voies majeures connues pour la signalisation des TLRs : une dépendante et l’autre indépendante de la protéine MyD88, on a étudié l’expression de l’hepcidine dans les MPMs isolés des souris MyD88-/- et nous avons constaté que l'absence de signalisation MyD88 abolit l'induction de l'hepcidine déclenchée par Pam, LPS et FSL1. D’autre part, la stimulation avec du LPS induisait in vivo la production d’IL-6 et de TNF-alpha, et la stimulation d’IL-6 était renforcée in vitro par la présence du fer. Ces observations indiquent que l’expression de HAMP (Hepcidin Antimicrobial Peptide) dans les macrophages peut être régulée par différents TLRs, ce qui suggère que la production d'hepcidine macrophagique fait partie d'une réponse immunitaire activées par les TLRs.

Rôle des récepteurs Toll-like et de la protéine adaptatrice MyD88 dans la régulation de l’hepcidine et le développement des hyposidérémies associées à l’inflammation

Le fer est un oligo-élément nécessaire pour le fonctionnement normal de toutes les cellules de l'organisme et joue un rôle essentiel dans de nombreuses fonctions biologiques. Cependant, le niveau de fer dans le corps doit être bien réglé, sinon la carence en fer entraine des divers états pathologiques tels que l'anémie et la diminution de l’immunité. D'autre part, une surcharge en fer potentialise la multiplication des germes, aggrave l’infection et la formation de radicaux libres ayant des effets toxiques sur les cellules et leurs composants, ce qui favorise les maladies cardio-vasculaires, l'inflammation et le cancer. L'hepcidine (HAMP), un régulateur négatif de l'absorption du fer, induit la dégradation de la ferroportine (FPN), le seul exportateur connu de fer ce qui réduit sa libération par les macrophages et inhibe son absorption gastro-intestinale. HAMP est synthétisé principalement par les hépatocytes, mais aussi par les macrophages. Cependant, il y a très peu de données sur la façon dont HAMP est régulé au niveau des macrophages. Plus récemment, nous avons constaté que l’induction de l’hepcidin dans le foie par le polysaccharide (LPS) est dépendante de la voie de signalisation médiée par « Toll-like receptor 4 » (TLR4). Grâce au TLR4, le LPS induit l'activation des macrophages qui sécrètent de nombreuses différentes cytokines inflammatoires, y compris Interleukine 6 (IL-6), responsable de l'expression de HAMP hépatique. Dans le premier chapitre de la présente étude, nous avons étudié la régulation de HAMP dans la lignée cellulaire macrophagique RAW264.7 et dans les macrophages péritonéaux murins stimulés par différents ligands des TLRs. Nous avons constaté que TLR2 et TLR4 par l'intermédiaire de la protéine adaptatrice « myeloid differentiation primary response gene 88 » (MyD88) activent l'expression de HAMP dans les cellules RAW264.7 et les macrophages péritonéaux sauvages murins, tandis que cette expression a été supprimée dans les macrophages isolés des souris TLR2-/-, TLR4-déficiente ou MyD88-/-. En outre, nous avons constaté que la production d'IL-6 par les cellules RAW264.7 stimulées avec du LPS a été renforcée par l’ajout des quantités élevées de fer dans le milieu de culture. Au cours de l’inflammation, le niveau de HAMP est fortement augmenté. Ainsi, lorsque l'inflammation persiste, l’expression de HAMP continue à être activée par des cytokines pro-inflammatoires conduisant à une hyposidérémie. Malgré que cette dernière soit considérée comme une défense de l'hôte pour priver les micro-organismes de fer, celle ci cause un développement d'anémies nommées anémies des maladies chroniques. Ainsi, dans le deuxième chapitre de la présente étude, nous avons étudié l'implication des TLRs et leurs protéines adaptatrices MyD88 et TIR-domain-containing adapter-inducing interferon-β (TRIF) dans le développement des hyposidérémies. En utilisant des souris déficientes en MyD88 et TRIF, nous avons montré que les voies de signalisations MyD88 et TRIF sont essentielles pour l’induction de HAMP par le LPS. Malgré l'absence de HAMP, les souris déficientes ont été capables de développer une hyposidérémie, mais la réponse des souris déficientes en MyD88 a été très légère, ce qui indique l'exigence de cette protéine pour assurer une réponse maximale au LPS. En outre, nous avons constaté que la signalisation MyD88 est nécessaire pour le stockage du fer au niveau de la rate, ainsi que l'induction de lipocaline 2 (LCN2), qui est une protéine impliquée dans la fixation du fer pour limiter la croissance bactérienne. Indépendamment de MyD88 ou TRIF, l'activation de TLR4 et TLR3 a conduit, au niveau de la rate, à une diminution rapide de l’expression de FPN et du « Human hemochromatosis protein » (HFE) qui est une protéine qui limite la séquestration du fer cellulaire à partir de la circulation. Cependant, malgré cette baisse d’expression, le manque de la signalisation MyD88 a altéré de manière significative la réponse hyposidérémique. En établissant le rôle des TLRs et de la protéine adaptatrice MyD88 dans la diminution du taux du fer sérique au cours de la réponse inflammatoire, nous avons remarqué qu’en réponse au surcharge en fer les souris déficientes en MyD88 accumulent de manière significative plus de fer hépatique par rapport aux souris sauvages, et cela indépendamment des TLRs. Ainsi, dans le troisième chapitre de la présente étude, nous avons étudié le phénotype observé chez les souris déficientes en MyD88. Nous avons trouvé que l'expression de HAMP chez ces souris a été plus faible que celle des souris de type sauvage. Pour cela, nous avons exploré la signalisation à travers la voie du « Bone Morphogenetic Proteins 6 » (BMP6) qui est considérée comme étant la voie fondamentale de la régulation de HAMP en réponse aux concentrations du fer intracellulaires et extracellulaires et nous avons trouvé que l'expression protéique de Smad4, un régulateur positif de l'expression de HAMP, est significativement plus faible chez les souris MyD88-/- par rapport aux souris sauvages. En outre, on a montré que MyD88 interagit avec « mothers against decapentaplegic, Drosophila, homolog 4 » (Smad4) et que cette interaction est essentielle pour l’induction de HAMP à travers la voie BMP6. En conclusion, notre étude montre que l'expression de HAMP dans les macrophages est régulée principalement par TLR2 et TLR4 à travers la voie MyD88 et que l'accumulation du fer dans les macrophages peut affecter les niveaux des cytokines pro-inflammatoires. En outre, nos analyses démontrent que le développement d’hyposidérémie en réponse au LPS se produit par l'intermédiaire d’un mécanisme dépendant de MyD88 qui est dissociée de la production de cytokines et de HAMP. En plus, nos recherches montrent que MyD88 est nécessaire pour l'expression de Smad4 et cela pour garantir une réponse optimale à travers la signalisation BMP6, conduisant ainsi à une expression adéquate de HAMP. Enfin, la protéine MyD88 joue un rôle crucial dans, la régulation de HAMP au niveau des macrophages, la diminution du taux du fer sérique en réponse au LPS et le maintien de l'homéostasie du fer.

Activation of dendritic cells by human papillomavirus-like particles through TLR4 and NF-B-mediated signalling, moderated by TGF-beta

Human papillomavirus-like particles (HPV-VLP) are a candidate vaccine for prevention of HPV infection, and also are a candidate for an immunogenic delivery system for incorporated antigen. VLP activate in vitro generated dendritic cells (DC) but not Langerhans cells (LC); however, the mechanism of this activation is unknown. We have shown that uptake and activation of DC by VLP involves proteoglycan receptors and can be inhibited by heparin. Heparin has been shown to activate DC by signalling through Toll-like receptor 4 (TLR4) and nuclear factor (NF)-kappaB. The pathway of DC activation by VLP was further investigated in the present study. Exposure to VLP induced costimulatory molecule expression, RelB translocation and IL-10 production by DC but not by LC. The lack of LC activation was reversible when TGF-beta was removed from the LC medium. VLP-induced induction of costimulatory molecule expression, RelB activation and cytokine secretion by DC was blocked by inhibition of NF-kappaB activation, heparin or TLR4 mAb. The data provide evidence that HPV-VLP signal DC through a pathway involving proteoglycan receptors, TLR4 and NF-kappaB, and shed light on the mechanism by which VLP stimulate immunity in the absence of adjuvants in vivo. LC may resist activation in normal epithelium abundant in TGF-beta, but not in situations in which TGF-beta concentrations are reduced.

25-hydroxycholesterol, 7β-hydroxycholesterol and 7-ketocholesterol upregulate interleukin-8 expression independently of Toll-like receptor 1, 2, 4 or 6 signalling in human macrophages

Recent studies have shown that Toll-like receptor (TLR)- signalling contributes significantly to the inflammatory events of atherosclerosis. As products of cholesterol oxidation (oxysterols) accumulate within atherosclerotic plaque and have been proposed to contribute to inflammatory signalling in the diseased artery, we investigated the potential of 7-ketocholesterol (7-KC), 7β-hydroxycholesterol (7β-HC) and 25-hydroxycholesterol (25-HC) to stimulate inflammatory signalling via the lipid-recognising TLRs 1, 2, 4 and 6. Each oxysterol stimulated secretion of the inflammatory chemokine interleukin-8 (IL-8), but not I?B degradation or tumour necrosis factor- release from monocytic THP-1 cells. Transfection of TLR-deficient HEK-293 cells with TLRs 1, 2, 4 or 6 did not increase sensitivity to the tested oxysterols. Moreover, blockade of TLR2 or TLR4 with specific inhibitors did not reduce 25-hydroxycholesterol (25-HC) induced IL-8 release from THP-1 cells. We conclude that although the oxysterols examined in this study may contribute to increased expression of certain inflammatory genes, this occurs by mechanisms independent of TLR signalling.

Propolis effects on pro-inflammatory cytokine production and Toll-like receptor 2 and 4 expression in stressed mice

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Evaluation of Toll-Like Receptor 2 and 4 RNA Expression and the Cytokine Profile in Postmenopausal Women with Metabolic Syndrome

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)