The inflammasome recognizes cytosolic microbial and host DNA and triggers an innate immune response.

The innate immune system recognizes nucleic acids during infection and tissue damage. Whereas viral RNA is detected by endosomal toll-like receptors (TLR3, TLR7, TLR8) and cytoplasmic RIG-I and MDA5, endosomal TLR9 and cytoplasmic DAI bind DNA, resulting in the activation of nuclear factor-kappaB and interferon regulatory factor transcription factors. However, viruses also trigger pro-inflammatory responses, which remain poorly defined. Here we show that internalized adenoviral DNA induces maturation of pro-interleukin-1beta in macrophages, which is dependent on NALP3 and ASC, components of the innate cytosolic molecular complex termed the inflammasome. Correspondingly, NALP3- and ASC-deficient mice display reduced innate inflammatory responses to adenovirus particles. Inflammasome activation also occurs as a result of transfected cytosolic bacterial, viral and mammalian (host) DNA, but in this case sensing is dependent on ASC but not NALP3. The DNA-sensing pro-inflammatory pathway functions independently of TLRs and interferon regulatory factors. Thus, in addition to viral and bacterial components or danger signals in general, inflammasomes sense potentially dangerous cytoplasmic DNA, strengthening their central role in innate immunity.

Targeting Toll-Like Receptors: Promising Therapeutic Strategies for the Management of Sepsis-Associated Pathology and Infectious Diseases.

Toll-like receptors (TLRs) are pattern recognition receptors playing a fundamental role in sensing microbial invasion and initiating innate and adaptive immune responses. TLRs are also triggered by danger signals released by injured or stressed cells during sepsis. Here we focus on studies developing TLR agonists and antagonists for the treatment of infectious diseases and sepsis. Positioned at the cell surface, TLR4 is essential for sensing lipopolysaccharide of Gram-negative bacteria, TLR2 is involved in the recognition of a large panel of microbial ligands, while TLR5 recognizes flagellin. Endosomal TLR3, TLR7, TLR8, TLR9 are specialized in the sensing of nucleic acids produced notably during viral infections. TLR4 and TLR2 are favorite targets for developing anti-sepsis drugs, and antagonistic compounds have shown efficient protection from septic shock in pre-clinical models. Results from clinical trials evaluating anti-TLR4 and anti-TLR2 approaches are presented, discussing the challenges of study design in sepsis and future exploitation of these agents in infectious diseases. We also report results from studies suggesting that the TLR5 agonist flagellin may protect from infections of the gastrointestinal tract and that agonists of endosomal TLRs are very promising for treating chronic viral infections. Altogether, TLR-targeted therapies have a strong potential for prevention and intervention in infectious diseases, notably sepsis.

Recognition of hepatitis C virus RNA by toll like receptors 7 and 8 : implications for the initiation of innate immune response

Le virus de l’hépatite C (VHC) est un virus à ARN simple brin positif (ssARN) qui se replique dans le foie. Deux cents millions de personnes sont infectées par le virus dans le monde et environ 80% d’entre elles progresseront vers un stade chronique de l’infection. Les thérapies anti-virales actuelles comme l’interféron (IFN) ou la ribavirin sont de plus en plus utilisées mais ne sont efficaces que dans la moitié des individus traités et sont souvent accompagnées d’une toxicité ou d’effets secondaires indésirables. Le système immunitaire inné est essentiel au contrôle des infections virales. Les réponses immunitaires innées sont activées suite à la reconnaissance par les Pathogen Recognition Receptors (PRRs), de motifs macromoléculaires dérivés du virus appelés Pathogen-Associated Molecular Patterns (PAMPs). Bien que l'activation du système immunitaire par l'ARN ou les protéines du VHC ait été largement étudiée, très peu de choses sont actuellement connues concernant la détection du virus par le système immunitaire inné. Et même si l’on peut très rapidement déceler des réponses immunes in vivo après infection par le VHC, l’augmentation progressive et continue de la charge virale met en évidence une incapacité du système immunitaire à contrôler l’infection virale. Une meilleure compréhension des mécanismes d’activation du système immunitaire par le VHC semble, par conséquent, essentielle au développement de stratégies antivirales plus efficaces. Dans le présent travail nous montrons, dans un modèle de cellule primaire, que le génome ARN du VHC contient des séquences riches en GU capables de stimuler spécifiquement les récepteurs de type Toll (TLR) 7 et 8. Cette stimulation a pour conséquence la maturation des cellules dendritiques plasmacytoïdes (pDCs), le production d’interféron de type I (IFN) ainsi que l’induction de chémokines et cytokines inflammatoires par les différentes types de cellules présentatrices d’antigènes (APCs). Les cytokines produites après stimulation de monocytes ou de pDCs par ces séquences ssARN virales, inhibent la production du virus de façon dépendante de l’IFN. En revanche, les cytokines produites après stimulation de cellules dendritiques myéloïdes (mDCs) ou de macrophages par ces mêmes séquences n’ont pas d’effet inhibiteur sur la production virale car les séquences ssARN virales n’induisent pas la production d’IFN par ces cellules. Les cytokines produites après stimulation des TLR 7/8 ont également pour effet de diminuer, de façon indépendante de l’IFN, l’expression du récepteur au VHC (CD81) sur la lignée cellulaire Huh7.5, ce qui pourrait avoir pour conséquence de restreindre l’infection par le VHC. Quoiqu’il en soit, même si les récepteurs au VHC comme le CD81 sont largement exprimés à la surface de différentes sous populations lymphocytaires, les DCs et les monocytes ne répondent pas aux VHC, Nos résultats indiquent que seuls les macrophages sont capables de reconnaître le VHC et de produire des cytokines inflammatoires en réponse à ce dernier. La reconnaissance du VHC par les macrophages est liée à l’expression membranaire de DC-SIGN et l’engagement des TLR 7/8 qui en résulte. Comme d’autres agonistes du TLR 7/8, le VHC stimule la production de cytokines inflammatoires (TNF-α, IL-8, IL-6 et IL-1b) mais n’induit pas la production d’interféron-beta par les macrophages. De manière attendue, la production de cytokines par des macrophages stimulés par les ligands du TLR 7/8 ou les séquences ssARN virales n’inhibent pas la réplication virale. Nos résultats mettent en évidence la capacité des séquences ssARN dérivées du VHC à stimuler les TLR 7/8 dans différentes populations de DC et à initier une réponse immunitaire innée qui aboutit à la suppression de la réplication virale de façon dépendante de l’IFN. Quoiqu’il en soit, le VHC est capable d’échapper à sa reconnaissance par les monocytes et les DCs qui ont le potentiel pour produire de l’IFN et inhiber la réplication virale après engagement des TLR 7/8. Les macrophages possèdent quant à eux la capacité de reconnaître le VHC grâce en partie à l’expression de DC-SIGN à leur surface, mais n’inhibent pas la réplication du virus car ils ne produisent pas d’IFN. L’échappement du VHC aux défenses antivirales pourrait ainsi expliquer l’échec du système immunitaire inné à contrôler l’infection par le VHC. De plus, la production de cytokines inflammatoires observée après stimulation in vitro des macrophages par le VHC suggère leur potentielle contribution dans l’inflammation que l’on retrouve chez les individus infectés par le VHC.

MicroRNA-3148 Modulates Allelic Expression of Toll-Like Receptor 7 Variant Associated with Systemic Lupus Erythematosus

We previously reported that the G allele of rs3853839 at 3′untranslated region (UTR) of Toll-like receptor 7 (TLR7) was associated with elevated transcript expression and increased risk for systemic lupus erythematosus (SLE) in 9,274 Eastern Asians [P = 6.5×10−10, odds ratio (OR) (95%CI) = 1.27 (1.17–1.36)]. Here, we conducted trans-ancestral fine-mapping in 13,339 subjects including European Americans, African Americans, and Amerindian/Hispanics and confirmed rs3853839 as the only variant within the TLR7-TLR8 region exhibiting consistent and independent association with SLE (Pmeta = 7.5×10−11, OR = 1.24 [1.18–1.34]). The risk G allele was associated with significantly increased levels of TLR7 mRNA and protein in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) and elevated luciferase activity of reporter gene in transfected cells. TLR7 3′UTR sequence bearing the non-risk C allele of rs3853839 matches a predicted binding site of microRNA-3148 (miR-3148), suggesting that this microRNA may regulate TLR7 expression. Indeed, miR-3148 levels were inversely correlated with TLR7 transcript levels in PBMCs from SLE patients and controls (R2 = 0.255, P = 0.001). Overexpression of miR-3148 in HEK-293 cells led to significant dose-dependent decrease in luciferase activity for construct driven by TLR7 3′UTR segment bearing the C allele (P = 0.0003). Compared with the G-allele construct, the C-allele construct showed greater than two-fold reduction of luciferase activity in the presence of miR-3148. Reduced modulation by miR-3148 conferred slower degradation of the risk G-allele containing TLR7 transcripts, resulting in elevated levels of gene products. These data establish rs3853839 of TLR7 as a shared risk variant of SLE in 22,613 subjects of Asian, EA, AA, and Amerindian/Hispanic ancestries (Pmeta = 2.0×10−19, OR = 1.25 [1.20–1.32]), which confers allelic effect on transcript turnover via differential binding to the epigenetic factor miR-3148.

Phänotypische und funktionelle Eigenschaften humaner neonataler dentritischer Zellen

Humane Neugeborene leiden an einer erhöhten Anfälligkeit für Infektionskrankheiten. Die dendritischen Zellen (DC) werden für die beeinträchtigten neonatalen T-Helfer 1 (Th1) Immunantworten verantwortlich gemacht. Der Hauptaktivator der Differenzierung von Th1 Zellen ist Interleukin-12 (IL-12), ein Zytokin, welches in adulten, nicht aber in neonatalen DC vornehmlich nach Bindung der Toll-like Rezeptoren produziert wird. In der vorliegenden Arbeit wurde der potentielle Einfluss verschiedener TLR-Liganden auf die Initiierung neonataler Th1-Immunantworten untersucht. Einzelne TLR-Liganden induzierten die Reifung adulter DC, während die neonatalen DC erst nach simultaner Stimulierung von TLR3/TLR8 bzw. TLR4/TLR8 Reifungsmarker exprimierten. Der synergistische Effekt kombinierter TLR-Liganden zeigte sich sowohl in der adulten als auch der neonatalen Zytokinproduktion, wobei unterschiedliche Expressionsmuster für IL-1beta, IL-6, IL-8, IL-10, TNFalpha und vor allem IL-27 beobachtet wurden. Besonders IL-12p70 wurde von neonatalen DC ausschließlich nach kombinierter TLR-Stimulation produziert. Darüber hinaus wurde die Fähigkeit aktivierter DC analysiert, autologe T-Zellen zu polarisieren. Interessanterweise konnte beobachtet werden, dass die Überstände kombiniert stimulierter neonataler DC die Interferon-gamma Produktion in neonatalen naiven T-Zellen auslösten. Und somit konnte gezeigt werden, dass neonatale DC naive T-Zellen hinsichtlich einer Th1-Immunantwort polarisieren können. Letztendlich zeigen die Ergebnisse neue Möglichkeiten auf, potente Impfstrategien für Neugeborene zu entwickeln.

Signaltransduktion von IgG-Antiphospholipid-Antikörpern in plasmazytoiden Dendriten und Monomac1 Zellen

Das Antiphospholipid-Syndrom (APS) ist eine Autoimmunerkrankung die sich durch venöse und arterielle Thrombosen und/oder Spontanaborte bei gleichzeitigem Nachweis von persistierenden, erhöhten Antiphospholipid-Antikörper (aPL)-Titern charakterisieren lässt. Die zugrunde liegenden Mechanismen, über die aPL Pathogenität vermitteln, sind bislang wenig verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass drei humane monoklonale IgG aPL sowie IgG Fraktionen von APS Patienten eine Überexpression von TLR7 und TLR8 in plasmazytoiden dendritischen Zellen bzw. monozytären Zellen induzieren. Gleichzeitig erfolgt die Induktion der TLR7/8 Translokation vom endoplasmatischen Retikulum (ER) ins Endosom. Diese Effekte werden durch die Internalisierung der aPL und die nachfolgende Aktivierung einer NADPH Oxidase sowie durch endosomale Superoxid Produktion vermittelt. Als Folge dessen werden die Zellen extrem für TLR7/8 Liganden sensibilisiert. Diese Beobachtungen beschreiben einen neuen Signalmechanismus der innaten Immunität, der seinen Ursprung im Endosom nimmt. Da die Überexpression von TLR7 auch in pDCs von APS Patienten detektiert werden konnte, bieten unsere Ergebnisse eine Erklärung für die proinflammatorischen und prokoagulanten Effekte von aPL. rnWeiterhin führte die kombinierte Stimulation mit aPL und TLR7 Liganden in pDCs zu einem signifikant verstärkten Potential zur CD4+ Th2 Zell Aktivierung bzw. zur Regulation der B-Zell Differenzierung und Immunglobulin Produktion. Die Anwesenheit der pDCs erhöhte dabei synergistisch die CD40/86 Expression, die Proliferation sowie die Plasmazell-Differenzierung von isolierten peripheren B-Zellen, die mit aPL und TLR Liganden stimuliert wurden. Dieser Stimulationsansatz war außerdem ausreichend um naive B-Zellen zur IgM/IgG Produktion anzuregen und die Synthese neuer IgG aPL durch Gedächtnis-B-Zellen einzuleiten. Die Beteiligung der pDCs an diesem Prozess erfolgte durch Zytokin Sekretion sowie direktem Zell-Zell-Kontakt. Die Anwesenheit von Th2-Helferzellen war dabei nicht obligatorisch, konnte jedoch die B-Zell Aktivierung zusätzlich fördern. Eine Hochregulierung von TLR7 oder TLR9 innerhalb der B-Zell Population war nicht involviert. rnrnDiese Ergebnisse zeigen erstmalig die Relevanz einer pDC Aktivierung im Hinblick auf die Aufrechterhaltung der pathogenen Aktivität im Rahmen des APS. Da eine Dysregulierung von TLR7 bereits als ursächlich für die Ausbildung einer systemischen Autoimmunität erachtet wird, sollten unsere Ergebnisse für das generelle Verständnis von Autoimmunität von großer Relevanz sein.rn

Immune recognition of self nucleic acids driven by endogenous antimicrobial peptides: role in autoimmunity

Innate immune recognition of extracellular host-derived self-DNA and self-RNA is prevented by endosomal seclusion of the Toll-like receptors (TLRs) in the dendritic cells (DCs). However, in psoriasis plasmacytoid dendritic cells have been found to be able to sense self-DNA molecules in complex with the endogenous cationic antimicrobial peptide LL37, which are internalized into the endosomal compartments and thus can access TLR9. We investigated whether this endogenous peptide can also interact with extracellular self-RNA and lead to DC activation. We found that LL37 binds self-RNA as well as self-DNA going into an electrostatic interaction; forms micro-aggregates of nano-scale particles protected from enzymatic degradation and transport it into the endosomal compartments of both plasmacytoid and myeloid dendritic cells. In the plasmacytoid DCs, the self-RNA-LL37 complexes activate TLR7 and like the self-DNA-LL37 complexes, trigger the production of IFN-α in the absence of induction of maturation or production of IL-6 and TNF-α. In contrast to the self-DNA-LL37 complexes, the self-RNA-LL37 complexes are also internalized into the endosomal compartments of myeloid dendritic cells and trigger activation through TLR8, leading to the production of TNF-α and IL-6, and the maturation of the myeloid DCs. Furthermore, we found that these self nucleic acid-LL37 complexes can be found in vivo in the skin lesions of the cutaneous autoimmune disease psoriasis, where they are associated with mature mDCs in situ. On the other hand, in the systemic autoimmune disease systemic lupus erythematosus, self-DNA-LL37 complexes were found to be a constituent of the circulating immune complexes isolated from patient sera. This interaction between the endogenous peptide with the self nucleic acid molecules present in the immune complexes was found to be electrostatic and it confers resistance to enzymatic degradation of the nucleic acid molecules in the immune complexes. Moreover, autoantibodies to these endogenous peptides were found to trigger neutrophil activation and release of neutrophil extracellular traps composed of DNA, which are potential sources of the self nucleic acid-LL37 complexes present in SLE immune complexes. Our results demonstrate that the cationic antimicrobial peptide LL37 drives the innate immune recognition of self nucleic acid molecules through toll-like receptors in human dendritic cells, thus elucidating a pathway for innate sensing of host cell death. This pathway of autoreactivity was found to be pathologically relevant in human autoimmune diseases psoriasis and SLE, and thus this study provides new insights into the mechanisms autoimmune diseases.

Vascular cell responsiveness to toll-like receptor ligands in carotid atheroma

Background Atherosclerosis is potentiated by stimulation of Toll-like receptors (TLRs), which serve to detect pathogen associated molecular patterns (PAMPs). However little is known of which PAMPs may be present in atheroma, or capable of stimulating inflammatory signalling in vascular cells. Materials and Methods DNA extracted from human carotid atheroma samples was amplified and sequenced using broad-range 16S gene specific primers to establish historical exposure to bacterial PAMPs. Responsiveness of primary human arterial and venous endothelial and smooth muscle cells to PAMPs specific for each of the TLRs was assessed by measurement of interleukin-8 secretion and E-selectin expression. Results Extracts of atheromatous tissue stimulated little or no signalling in TLR-transfected HEK-293 cells. However, sequencing of bacterial DNA amplified from carotid atheroma revealed the presence of DNA from 17 different bacterial genera, suggesting historical exposure to bacterial lipopeptide, lipopolysaccharide and flagellin. All cells examined were responsive to the ligands of TLR3 and TLR4, poly inosine:cytosine and lipopolysaccharide. Arterial cells were responsive to a wider range of PAMPs than venous cells, being additionally responsive to bacterial flagellin and unmethylated cytosine-phosphate-guanosine DNA motifs, the ligands of TLR5 and TLR9, respectively. Cells were generally unresponsive towards the ligands of human TLR7 and TLR8, loxoribine and single stranded RNA. Only coronary artery endothelial cells expressed TLR2 mRNA and responded to the TLR2 ligand Pam3CSK4. Conclusions Vascular cells are responsive to a relatively diverse range of TLR ligands and may be exposed, at least transiently, to ligands of TLR2, TLR4, TLR5 and TLR9 during the development of carotid atheroma.