Peripheral blood monocytes are a heterogeneous population of circulating leukocytes. Using a murine adoptive transfer system to probe monocyte homing and differentiation in vivo, we identified two functional subsets among murine blood monocytes: a short-lived CX3CR1loCCR2+Gr1+ subset that is actively recruited to inflamed tissues and a CX3CR1hiCCR2−Gr1− subset characterized by CX3CR1-dependent recruitment to noninflamed tissues. Both subsets have the potential to differentiate into dendritic cells in vivo. The level of CX3CR1 expression also defines the two major human monocyte subsets, the CD14+CD16− and CD14loCD16+ monocytes, which share phenotype and homing potential with the mouse subsets. These findings raise the potential for novel therapeutic strategies in inflammatory diseases.

Macrophages and dendritic cells (DCs) are key components of cellular immunity and are thought to originate and renew from hematopoietic stem cells (HSCs). However, some macrophages develop in the embryo before the appearance of definitive HSCs. We thus reinvestigated macrophage development. We found that the transcription factor Myb was required for development of HSCs and all CD11b(high) monocytes and macrophages, but was dispensable for yolk sac (YS) macrophages and for the development of YS-derived F4/80(bright) macrophages in several tissues, such as liver Kupffer cells, epidermal Langerhans cells, and microglia--cell populations that all can persist in adult mice independently of HSCs. These results define a lineage of tissue macrophages that derive from the YS and are genetically distinct from HSC progeny.

To determine the origin of adult tissue-resident macrophages, a mouse lineage tracing study has revealed that these cells derive from erythro-myeloid progenitors in the yolk sac that are distinct from fetal and adult haematopoietic stem cells. The developmental origin of tissue-resident macrophage progenitors and their contribution to macrophages in fetal and adult organs relative to bone marrow macrophages are still unclear. Using lineage tracing, Elisa Gomez Perdiguero et al. identify a population of yolk-sac-derived progenitors — distinct from fetal and adult haematopoetic stem cells — that gives rise to erythrocytes, macrophages, granulocytes and monocytes in the young mouse fetus, and to the vast majority of adult tissue-resident macrophages. Most haematopoietic cells renew from adult haematopoietic stem cells (HSCs)1,2,3, however, macrophages in adult tissues can self-maintain independently of HSCs4,5,6,7. Progenitors with macrophage potential in vitro have been described in the yolk sac before emergence of HSCs8,9,10,11,12,13, and fetal macrophages13,14,15 can develop independently of Myb4, a transcription factor required for HSC16, and can persist in adult tissues4,17,18. Nevertheless, the origin of adult macrophages and the qualitative and quantitative contributions of HSC and putative non-HSC-derived progenitors are still unclear19. Here we show in mice that the vast majority of adult tissue-resident macrophages in liver (Kupffer cells), brain (microglia), epidermis (Langerhans cells) and lung (alveolar macrophages) originate from a Tie2+ (also known as Tek) cellular pathway generating Csf1r+ erythro-myeloid progenitors (EMPs) distinct from HSCs. EMPs develop in the yolk sac at embryonic day (E) 8.5, migrate and colonize the nascent fetal liver before E10.5, and give rise to fetal erythrocytes, macrophages, granulocytes and monocytes until at least E16.5. Subsequently, HSC-derived cells replace erythrocytes, granulocytes and monocytes. Kupffer cells, microglia and Langerhans cells are only marginally replaced in one-year-old mice, whereas alveolar macrophages may be progressively replaced in ageing mice. Our fate-mapping experiments identify, in the fetal liver, a sequence of yolk sac EMP-derived and HSC-derived haematopoiesis, and identify yolk sac EMPs as a common origin for tissue macrophages.

The cellular immune response to tissue damage and infection requires the recruitment of blood leukocytes. This process is mediated through a classical multistep mechanism, which involves transient rolling on the endothelium and recognition of inflammation followed by extravasation. We have shown, by direct examination of blood monocyte functions in vivo, that a subset of monocytes patrols healthy tissues through long-range crawling on the resting endothelium. This patrolling behavior depended on the integrin LFA-1 and the chemokine receptor CX 3 CR1 and was required for rapid tissue invasion at the site of an infection by this “resident” monocyte population, which initiated an early immune response and differentiated into macrophages.

The activation-induced cytidine deaminase (AID) gene, specifically expressed in germinal center B cells in mice, is a member of the cytidine deaminase family. We herein report mutations in the human counterpart of AID in patients with the autosomal recessive form of hyper-IgM syndrome (HIGM2). Three major abnormalities characterize AID deficiency: (1) the absence of immunoglobulin class switch recombination, (2) the lack of immunoglobulin somatic hypermutations, and (3) lymph node hyperplasia caused by the presence of giant germinal centers. The phenotype observed in HIGM2 patients (and in AID−/− mice) demonstrates the absolute requirement for AID in several crucial steps of B cell terminal differentiation necessary for efficient antibody responses.

Monocytes are effectors of the inflammatory response to microbes. Human CD14+ monocytes specialize in phagocytosis and production of reactive oxygen species and secrete inflammatory cytokines in response to a broad range of microbial cues. Here, we have characterized the functions of human monocytes that lack CD14 (CD14dim) and express CD16. CD14dim monocytes were genetically distinct from natural killer cells. Gene expression analyses indicated similarities with murine patrolling Gr1dim monocytes, and they patrolled the endothelium of blood vessels after adoptive transfer, in a lymphocyte function-associated antigen-1-dependent manner. CD14dim monocytes were weak phagocytes and did not produce ROS or cytokines in response to cell-surface Toll-like receptors. Instead, they selectively produced TNF-α, IL-1β, and CCL3 in response to viruses and immune complexes containing nucleic acids, via a proinflammatory TLR7-TLR 8-MyD88-MEK pathway. Thus, CD14dim cells are bona fide monocytes involved in the innate local surveillance of tissues and the pathogenesis of autoimmune diseases.

Macrophages reside in essentially all tissues of the body and play key roles in innate and adaptive immune responses. Distinct populations of tissue macrophages also acquire context-specific functions that are important for normal tissue homeostasis. To investigate mechanisms responsible for tissue-specific functions, we analyzed the transcriptomes and enhancer landscapes of brain microglia and resident macrophages of the peritoneal cavity. In addition, we exploited natural genetic variation as a genome-wide “mutagenesis” strategy to identify DNA recognition motifs for transcription factors that promote common or subset-specific binding of the macrophage lineage-determining factor PU.1. We find that distinct tissue environments drive divergent programs of gene expression by differentially activating a common enhancer repertoire and by inducing the expression of divergent secondary transcription factors that collaborate with PU.1 to establish tissue-specific enhancers. These findings provide insights into molecular mechanisms by which tissue environment influences macrophage phenotypes that are likely to be broadly applicable to other cell types.

Some Toll and Toll-like receptors (TLRs) provide immunity to experimental infections in animal models, but their contribution to host defense in natural ecosystems is unknown. We report a dominant-negative TLR3 allele in otherwise healthy children with herpes simplex virus 1 (HSV-1) encephalitis. TLR3 is expressed in the central nervous system (CNS), where it is required to control HSV-1, which spreads from the epithelium to the CNS via cranial nerves. TLR3 is also expressed in epithelial and dendritic cells, which apparently use TLR3-independent pathways to prevent further dissemination of HSV-1 and to provide resistance to other pathogens in TLR3-deficient patients. Human TLR3 appears to be redundant in host defense to most microbes but is vital for natural immunity to HSV-1 in the CNS, which suggests that neurotropic viruses have contributed to the evolutionary maintenance of TLR3.

Macrophages and dendritic cells (DCs) are crucial for immune and inflammatory responses and belong to a network of cells that has been termed the mononuclear phagocyte system (MPS). However, the origin and lineage of these cells remain poorly understood. Here, we describe the isolation and clonal analysis of a mouse bone marrow progenitor that is specific for monocytes, several macrophage subsets, and resident spleen DCs in vivo. It was also possible to recapitulate this differentiation in vitro by using treatment with the cytokines macrophage colony-stimulating factor and granulocyte-macrophage colony-stimulating factor. Thus, macrophages and DCs appear to renew from a common progenitor, providing a cellular and molecular basis for the concept of the MPS.