Abstract Disease tolerance is an infection phenotype where hosts show relatively high health despite harbouring elevated pathogen loads. Variation in the ability to reduce immunopathology may explain why some hosts can tolerate higher pathogen burdens with reduced pathology. Negative immune regulation would therefore appear to be a clear candidate for a mechanism underlying disease tolerance. Here, we examined how the negative regulation of the immune deficiency (IMD) pathway affects disease tolerance in Drosophila melanogaster when infected with four doses of the gram-negative bacterial pathogen Pseudomonas entomophila . We find that while flies unable to regulate the IMD response exhibited higher expression of antimicrobial peptides and lower bacterial loads as expected, this was not accompanied by a proportional reduction in mortality. Instead, UAS-RNAi knockdown of negative regulators of IMD ( pirk and caudal ) substantially increased the per-pathogen-mortality in both males and females across all tested infectious doses. Our results therefore highlight that in addition to regulating an efficient pathogen clearance response, negative regulators of IMD also contribute to disease tolerance.

ABSTRACT Evolutionary theory predicts a late-life decline in the force of natural selection, possibly leading to late-life deregulations of the immune system. A potential outcome of such immune-deregulation is the inability to produce specific immunity against target pathogens. We tested this possibility by infecting multiple Drosophila melanogaster lines (with bacterial pathogens) across age-groups, where either individual or different combinations of Imd- and Toll-inducible antimicrobial peptides (AMPs) were deleted using CRISPR gene editing. We show a high degree of non-redundancy and pathogen-specificity of AMPs in young flies: in some cases, even a single AMP could confer complete resistance. In contrast, ageing led to a complete loss of such specificity, warranting the action of multiple AMPs across Imd- and Toll-pathways during infections. Moreover, use of diverse AMPs either had no survival benefits, or even accompanied survival costs post-infection. These features were also sexually dimorphic: females expressed a larger repertoire of AMPs than males, but extracted equivalent survival benefits. Finally, age-specific expansion of the AMP-pool was associated with downregulation of negative-regulators of the Imd-pathway and a potential damage to renal function, as features of poorly-regulated immunity, Overall, we could establish ageing as an important driver of nonspecific AMP responses, across sexes and bacterial infections.

Abstract The insect gut is frequently exposed to pathogenic threats and must not only clear these potential infections, but also tolerate relatively high microbe loads. In contrast to the mechanisms that eliminate pathogens, we currently know less about the mechanisms of disease tolerance. We investigated how well-described mechanisms that either prevent, signal, control, or repair damage during infection contribute to the phenotype of disease tolerance. We established enteric infections with the bacterial pathogen Pseudomonas entomophila in transgenic lines of Drosophila melanogaster fruit flies affecting dcy (a major component of the peritrophic matrix), upd3 (a cytokine-like molecule), irc (a negative regulator of reactive oxygen species) and egfr 1 (epithelial growth factor receptor). Flies lacking dcy experienced the highest susceptibility, while loss of function of either irc or upd3 reduced tolerance in both sexes. The disruption of egfr 1 resulted in a severe loss in tolerance in male flies but had no substantial effect on the ability of female flies to tolerate P. entomophila infection, despite carrying greater microbe loads than males. Together, our findings provide evidence for the role of damage limitation mechanisms in disease tolerance and highlight how sex differences in these mechanisms could generate sexual dimorphism in disease tolerance.

Abstract Disease tolerance describes an infected host’s ability to maintain health independently of the ability to clear microbe loads. The Jak/Stat pathway plays a pivotal role in humoral innate immunity by detecting tissue damage and triggering cellular renewal, making it a candidate tolerance mechanism. Here, we find that in Drosophila melanogaster infected with Pseudomonas entomophila disrupting ROS -producing dual oxidase (duox ) or the negative regulator of Jak/Stat Socs36E , render male flies less tolerant. Another negative regulator of Jak/Stat, G9a - which has previously been associated with variable tolerance of viral infections – did not affect the rate of mortality with increasing microbe loads compared to flies with functional G9a , suggesting it does not affect tolerance of bacterial infection as in viral infection. Our findings highlight that ROS production and Jak/Stat signalling influence the ability of flies to tolerate bacterial infection sex-specifically and may therefore contribute to sexually dimorphic infection outcomes in Drosophila .

Invertebrates lack the immune machinery underlying vertebrate-like acquired immunity. However, in many insects past infection by the same pathogen can ‘prime’ the immune response, resulting in improved survival upon reinfection. Here, we investigated the mechanistic basis and epidemiological consequences of innate immune priming in the fruit fly Drosophila melanogaster when infected with the gram-negative bacterial pathogen Providencia rettgeri . We find that priming in response to P . rettgeri infection is a long-lasting and sexually dimorphic response. We further explore the epidemiological consequences of immune priming and find it has the potential to curtail pathogen transmission by reducing pathogen shedding and spread. The enhanced survival of individuals previously exposed to a non-lethal bacterial inoculum coincided with a transient decrease in bacterial loads, and we provide strong evidence that the effect of priming requires the IMD-responsive antimicrobial-peptide Diptericin-B in the fat body. Further, we show that while Diptericin B is the main effector of bacterial clearance, it is not sufficient for immune priming, which requires regulation of IMD by peptidoglycan recognition proteins. This work underscores the plasticity and complexity of invertebrate responses to infection, providing novel experimental evidence for the effects of innate immune priming on population-level epidemiological outcomes.

ABSTRACT Microbial metabolites produced by the gut microbiome, such as short-chain fatty acids (SCFA), can influence both local intestinal and distant lung physiology and response to injury. However, how lung immune activity is regulated by SCFAs is unknown. We examined fresh human lung tissue and observed the presence of SCFAs with large inter-individual and even intra-lobe variability. In vitro , SCFAs were capable of modifying the metabolic programming in both resting and LPS-exposed alveolar macrophages (AM). Additionally, since we hypothesized that lung immune tone could be defined through priming of the inflammasome (aka signal 1), we interrogated naïve mouse lungs for pro-IL-1β message and localized its presence within the alveolar space in situ , specifically in AM subsets, and in close proximity to alveolar type 2 epithelial (AT2) cells. We established that metabolically active gut microbiota, that produce SCFAs, can transmit LPS and SCFAs to the lung (potential sources of signal 1), and thereby could regulate lung immune tone and metabolic programming. To understand how murine lung cells sensed and upregulated IL-1β in response to gut-microbiome factors, we determined that in vitro , AM and AT2 cells expressed SCFA receptors, FFAR2, FFAR3, and IL-1β but with different expression patterns and LPS-inducibility. Finally, we observed that IL-1β, FFAR2 and FFAR3 were expressed both in isolated human AM and AT2 cells ex-vivo , but in fresh human lung sections in situ , only AM expressed IL-1β at rest and after LPS challenge. Together, this translational study using mouse and human lung tissue and cells supports an important role for the gut microbiome and SCFAs in regulating lung immune tone.

Invertebrates lack the immune machinery underlying vertebrate-like acquired immunity. However, in many insects past infection by the same pathogen can prime the immune response, resulting in improved survival upon reinfection. Here, we investigated the generality, specificity and mechanistic basis of innate immune priming in the fruit fly Drosophila melanogaster when infected with the gram-negative bacterial pathogen Providencia rettgeri. We find that priming in response to P. rettgeri infection is a long-lasting and pathogen-specific response. We further explore the epidemiological consequences of immune priming and find it has the potential to curtail pathogen transmission by reducing pathogen shedding and spread. The enhanced survival of individuals previously exposed to a non-lethal, heat-killed bacterial challenge coincided with a transient decrease in bacterial loads, and we provide strong evidence that the effect of priming requires the IMD-responsive antimicrobial-peptide Diptericin-B in the fat body. Further, we show that while Diptericin B is the main effector of bacterial clearance, it is not sufficient for immune priming, which requires regulation of IMD by peptidoglycan recognition proteins. This work underscores the plasticity and complexity of invertebrate responses to infection, providing novel experimental evidence for the effects of innate immune priming on population-level epidemiological outcomes.

ABSTRACT In insects, basal pathogen resistance and immune priming can evolve as mutually exclusive strategies, with distinct infection outcomes. However, the evolutionary drivers of such diverse immune functions remain poorly understood. Here, we addressed this key issue by systematically analyzing the differential fitness costs and benefits of priming vs. resistance evolution in Tribolium beetle populations infected with Bacillus thuringiensis . Surprisingly, resistant beetles had increased post-infection reproduction and a longer lifespan under both starving as well as fed conditions, with no other measurable costs. In contrast, priming reduced offspring early survival, development rate and reproduction. Priming did improve post-infection survival of offspring, but this added trans-generational benefit of immune priming might not compensate for its pervasive costs. Resistance was thus consistently more beneficial. Our work represents the first report of experimentally evolved trans-generational priming, and a detailed comparison of the complex fitness consequences of evolved priming vs resistance. HIGHLIGHTS Divergent costs and benefits of experimentally evolved immune priming vs resistance Increased reproduction and lifespan in resistant populations No other hidden costs of resistance In contrast, reduced juvenile fitness and reproduction in primed populations First evidence for experimentally evolved trans-generational immune priming

In animals, skewed sex ratios can affect individual fitness either via sexual interactions (e.g. intersexual conflict or intrasexual mate competition) or non-sexual interactions (e.g. sex-specific resource competition). Because most analyses of sex ratio focus on sexual interactions, the relative importance of these mechanisms remains unclear. We addressed this problem using the flour beetle Tribolium castaneum, where male-biased sex ratios increase female fitness relative to unbiased or female-biased groups. Although flour beetles show both sexual and non-sexual (resource) competition, we found that sexual interactions did not explain female fitness. Instead, female fecundity was dramatically reduced even after a brief exposure to flour conditioned by other females. Earlier studies suggested that quinones (secreted toxins) might mediate density-dependent population growth in flour beetles. We identified ethyl- and methyl- benzoquinone (EBQ and MBQ) as the primary components of adult stink glands that regulate female fecundity. In female-biased groups (i.e. at high female density), females upregulated quinones and suppressed each others reproduction. In male-biased groups, low female density lead to low quinone levels, allowing higher fecundity. Thus, quinones serve both as indicators and mediators of female competition, resulting in the observed fitness decline in female-biased groups. Our results underscore the importance of non-sexual interference competition that may often underlie the fitness consequences of skewed sex ratios.

Abstract Immune responses benefit organismal fitness by clearing parasites but also exact costs associated with immunopathology and energetic investment. Hosts manage these costs by tightly regulating the induction of immune signaling to curtail excessive responses and restore homeostasis. Despite the theoretical importance of turning off the immune response to mitigate these costs, experimentally connecting variation in the negative regulation of immune responses to organismal fitness remains a frontier in evolutionary immunology. In this study, we used a doseresponse approach to manipulate the RNAi-mediated knockdown efficiency of cactus (IκBα), a central regulator of Toll pathway signal transduction in flour beetles ( Tribolium castaneum ). By titrating cactus activity along a continuous gradient, we derived the shape of the relationship between immune response investment and traits associated with host fitness, including infection susceptibility, lifespan, fecundity, body mass, and gut homeostasis. Cactus knock-down increased the overall magintude of inducible immune responses and delayed their resolution in a dsRNA dose-dependent manner, promoting survival and resistance following bacterial infection. However, these benefits were counterbalanced by dsRNA dose-dependent costs to lifespan, fecundity, body mass, and gut integrity. Our results allowed us to move beyond the qualitative identification of a trade-off between immune investment and fitness to actually derive its functional form. This approach paves the way to quantitatively compare the evolution and impact of distinct regulatory elements on life-history trade-offs and fitness, filling a crucial gap in our conceptual and theoretical models of immune signaling network evolution and the maintenance of natural variation in immune systems.