Non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) is the hepatic manifestation of metabolic syndrome and the leading cause of chronic liver disease in the Western world. Twenty per cent of NAFLD individuals develop chronic hepatic inflammation (non-alcoholic steatohepatitis, NASH) associated with cirrhosis, portal hypertension and hepatocellular carcinoma, yet the causes of progression from NAFLD to NASH remain obscure. Here, we show that the NLRP6 and NLRP3 inflammasomes and the effector protein IL-18 negatively regulate NAFLD/NASH progression, as well as multiple aspects of metabolic syndrome via modulation of the gut microbiota. Different mouse models reveal that inflammasome-deficiency-associated changes in the configuration of the gut microbiota are associated with exacerbated hepatic steatosis and inflammation through influx of TLR4 and TLR9 agonists into the portal circulation, leading to enhanced hepatic tumour-necrosis factor (TNF)-α expression that drives NASH progression. Furthermore, co-housing of inflammasome-deficient mice with wild-type mice results in exacerbation of hepatic steatosis and obesity. Thus, altered interactions between the gut microbiota and the host, produced by defective NLRP3 and NLRP6 inflammasome sensing, may govern the rate of progression of multiple metabolic syndrome-associated abnormalities, highlighting the central role of the microbiota in the pathogenesis of heretofore seemingly unrelated systemic auto-inflammatory and metabolic disorders.

Inflammasomes are multiprotein complexes that function as sensors of endogenous or exogenous damage-associated molecular patterns. Here, we show that deficiency of NLRP6 in mouse colonic epithelial cells results in reduced IL-18 levels and altered fecal microbiota characterized by expanded representation of the bacterial phyla Bacteroidetes (Prevotellaceae) and TM7. NLRP6 inflammasome-deficient mice were characterized by spontaneous intestinal hyperplasia, inflammatory cell recruitment, and exacerbation of chemical colitis induced by exposure to dextran sodium sulfate (DSS). Cross-fostering and cohousing experiments revealed that the colitogenic activity of this microbiota is transferable to neonatal or adult wild-type mice, leading to exacerbation of DSS colitis via induction of the cytokine, CCL5. Antibiotic treatment and electron microscopy studies further supported the role of Prevotellaceae as a key representative of this microbiota-associated phenotype. Altogether, perturbations in this inflammasome pathway, including NLRP6, ASC, caspase-1, and IL-18, may constitute a predisposing or initiating event in some cases of human IBD.PaperClip/cms/asset/39df7274-1d31-49b2-86f9-577aea15455d/mmc4.mp3Loading ...(mp3, 4.58 MB) Download audio

Growing evidence suggests that microbes can influence the efficacy of cancer therapies. By studying colon cancer models, we found that bacteria can metabolize the chemotherapeutic drug gemcitabine (2',2'-difluorodeoxycytidine) into its inactive form, 2',2'-difluorodeoxyuridine. Metabolism was dependent on the expression of a long isoform of the bacterial enzyme cytidine deaminase (CDDL), seen primarily in Gammaproteobacteria. In a colon cancer mouse model, gemcitabine resistance was induced by intratumor Gammaproteobacteria, dependent on bacterial CDDL expression, and abrogated by cotreatment with the antibiotic ciprofloxacin. Gemcitabine is commonly used to treat pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), and we hypothesized that intratumor bacteria might contribute to drug resistance of these tumors. Consistent with this possibility, we found that of the 113 human PDACs that were tested, 86 (76%) were positive for bacteria, mainly Gammaproteobacteria.

Summary

 All domains of life feature diverse molecular clock machineries that synchronize physiological processes to diurnal environmental fluctuations. However, no mechanisms are known to cross-regulate prokaryotic and eukaryotic circadian rhythms in multikingdom ecosystems. Here, we show that the intestinal microbiota, in both mice and humans, exhibits diurnal oscillations that are influenced by feeding rhythms, leading to time-specific compositional and functional profiles over the course of a day. Ablation of host molecular clock components or induction of jet lag leads to aberrant microbiota diurnal fluctuations and dysbiosis, driven by impaired feeding rhythmicity. Consequently, jet-lag-induced dysbiosis in both mice and humans promotes glucose intolerance and obesity that are transferrable to germ-free mice upon fecal transplantation. Together, these findings provide evidence of coordinated metaorganism diurnal rhythmicity and offer a microbiome-dependent mechanism for common metabolic disturbances in humans with aberrant circadian rhythms, such as those documented in shift workers and frequent flyers.

Microglia development follows a stepwise program Microglia are cells that defend the central nervous system. However, because they migrate into the brain during development, the changes that they undergo, including those that affect gene expression, have been difficult to document. Matcovitch-Natan et al. transcriptionally profiled gene expression and analyzed epigenetic signatures of microglia at the single-cell level in the early postnatal life of mice. They identified three stages of microglia development, which are characterized by gene expression and linked with chromatin changes, occurring in sync with the developing brain. Furthermore, they showed that the proper development of microglia is affected by the microbiome. Science , this issue p. 789

Immune cells residing in white adipose tissue have been highlighted as important factors contributing to the pathogenesis of metabolic diseases, but the molecular regulators that drive adipose tissue immune cell remodeling during obesity remain largely unknown. Using index and transcriptional single-cell sorting, we comprehensively map all adipose tissue immune populations in both mice and humans during obesity. We describe a novel and conserved Trem2+ lipid-associated macrophage (LAM) subset and identify markers, spatial localization, origin, and functional pathways associated with these cells. Genetic ablation of Trem2 in mice globally inhibits the downstream molecular LAM program, leading to adipocyte hypertrophy as well as systemic hypercholesterolemia, body fat accumulation, and glucose intolerance. These findings identify Trem2 signaling as a major pathway by which macrophages respond to loss of tissue-level lipid homeostasis, highlighting Trem2 as a key sensor of metabolic pathologies across multiple tissues and a potential therapeutic target in metabolic diseases.

Host-microbiome co-evolution drives homeostasis and disease susceptibility, yet regulatory principles governing the integrated intestinal host-commensal microenvironment remain obscure. While inflammasome signaling participates in these interactions, its activators and microbiome-modulating mechanisms are unknown. Here, we demonstrate that the microbiota-associated metabolites taurine, histamine, and spermine shape the host-microbiome interface by co-modulating NLRP6 inflammasome signaling, epithelial IL-18 secretion, and downstream anti-microbial peptide (AMP) profiles. Distortion of this balanced AMP landscape by inflammasome deficiency drives dysbiosis development. Upon fecal transfer, colitis-inducing microbiota hijacks this microenvironment-orchestrating machinery through metabolite-mediated inflammasome suppression, leading to distorted AMP balance favoring its preferential colonization. Restoration of the metabolite-inflammasome-AMP axis reinstates a normal microbiota and ameliorates colitis. Together, we identify microbial modulators of the NLRP6 inflammasome and highlight mechanisms by which microbiome-host interactions cooperatively drive microbial community stability through metabolite-mediated innate immune modulation. Therefore, targeted “postbiotic” metabolomic intervention may restore a normal microenvironment as treatment or prevention of dysbiosis-driven diseases.

Metabolic syndrome, leaky guts, and infection Metabolic syndrome often accompanies obesity and hyperglycemia and is associated with a breakdown in the integrity of the intestinal barrier and increased risk of systemic infection. Thaiss et al. found that mice with systemic infection of a Salmonella analog, Citrobacter rodentium , also exhibited hyperglycemia. Deletion of the glucose transporter GLUT2 altered sensitivity to chemically induced epithelial permeability and protected mice from pathogen invasion. The authors also found a correlation in humans between glycated hemoglobin (an indicator of hyperglycemia) and serum levels of pathogen recognition receptor ligands. Science , this issue p. 1376

The intestinal microbiota undergoes diurnal compositional and functional oscillations that affect metabolic homeostasis, but the mechanisms by which the rhythmic microbiota influences host circadian activity remain elusive. Using integrated multi-omics and imaging approaches, we demonstrate that the gut microbiota features oscillating biogeographical localization and metabolome patterns that determine the rhythmic exposure of the intestinal epithelium to different bacterial species and their metabolites over the course of a day. This diurnal microbial behavior drives, in turn, the global programming of the host circadian transcriptional, epigenetic, and metabolite oscillations. Surprisingly, disruption of homeostatic microbiome rhythmicity not only abrogates normal chromatin and transcriptional oscillations of the host, but also incites genome-wide de novo oscillations in both intestine and liver, thereby impacting diurnal fluctuations of host physiology and disease susceptibility. As such, the rhythmic biogeography and metabolome of the intestinal microbiota regulates the temporal organization and functional outcome of host transcriptional and epigenetic programs.