CX3CR1+ and CD103+ dendritic cells (DCs) in intestinal lamina propria play a key role in mucosal immunity. However, the origin and the developmental pathways that regulate their differentiation in the lamina propria remain unclear. We showed that monocytes gave rise exclusively to CD103−CX3CR1+ lamina propria DCs under the control of macrophage-colony-stimulating factor receptor (M-CSFR) and Fms-like thyrosine kinase 3 (Flt3) ligands. In contrast, common DC progenitors (CDP) and pre-DCs, which give rise to lymphoid organ DCs but not to monocytes, differentiated exclusively into CD103+CX3CR1− lamina propria DCs under the control of Flt3 and granulocyte-macrophage-colony-stimulating factor receptor (GM-CSFR) ligands. CD103+CX3CR1− DCs but not CD103−CX3CR1+ DCs in the lamina propria constitutively expressed CCR7 and were the first DCs to transport pathogenic Salmonella from the intestinal tract to the mesenteric lymph nodes. Altogether, these results underline the diverse origin of the lamina propria DC network and identify mucosal DCs that arise from pre-DCs as key sentinels of the gut immune system.

Gut Immune Tolerance With the constant assault of food antigens and its billions of resident microbes, the gut is an important site of immune tolerance. By studying specific intestinal immune cell populations in genetically modified mice, Mortha et al. ( 10.1126/science.1249288 , published online 13 March; see the Perspective by Aychek and Jung ) found that gut macrophages produce the cytokine interleukin-1 (IL-1) in response to signals derived from the microbiota. IL-1 acts on type 3 innate lymphoid cells in the intestine, which then produce the cytokine, colony-stimulating factor 2 (Csf2). Csf-2, in turn, induces myeloid cells (including dendritic cells and macrophages) to produce regulatory factors like retinoic acid and interleukin-10, which support the conversion and expansion of regulatory T cells, a population of cells known to be critical for maintaining immune tolerance in the gut.

The transcriptional regulation of commitment to the dendritic cell (DC) lineage and functional specialization of DCs in vivo is poorly understood. In this Resource, Merad and colleagues identify the lineage relationships among various tissue DC subsets. Although much progress has been made in the understanding of the ontogeny and function of dendritic cells (DCs), the transcriptional regulation of the lineage commitment and functional specialization of DCs in vivo remains poorly understood. We made a comprehensive comparative analysis of CD8+, CD103+, CD11b+ and plasmacytoid DC subsets, as well as macrophage DC precursors and common DC precursors, across the entire immune system. Here we characterized candidate transcriptional activators involved in the commitment of myeloid progenitor cells to the DC lineage and predicted regulators of DC functional diversity in tissues. We identified a molecular signature that distinguished tissue DCs from macrophages. We also identified a transcriptional program expressed specifically during the steady-state migration of tissue DCs to the draining lymph nodes that may control tolerance to self tissue antigens.

Langerhans cells (LCs) are the only dendritic cells of the epidermis and constitute the first immunological barrier against pathogens and environmental insults. The factors regulating LC homeostasis remain elusive and the direct circulating LC precursor has not yet been identified in vivo. Here we report an absence of LCs in mice deficient in the receptor for colony-stimulating factor 1 (CSF-1) in steady-state conditions. Using bone marrow chimeric mice, we have established that CSF-1 receptor–deficient hematopoietic precursors failed to reconstitute the LC pool in inflamed skin. Furthermore, monocytes with high expression of the monocyte marker Gr-1 (also called Ly-6c/G) were specifically recruited to the inflamed skin, proliferated locally and differentiated into LCs. These results identify Gr-1hi monocytes as the direct precursors for LCs in vivo and establish the importance of the CSF-1 receptor in this process.

CD103+ dendritic cells (DCs) in nonlymphoid tissues are specialized in the cross-presentation of cell-associated antigens. However, little is known about the mechanisms that regulate the development of these cells. We show that two populations of CD11c+MHCII+ cells separated on the basis of CD103 and CD11b expression coexist in most nonlymphoid tissues with the exception of the lamina propria. CD103+ DCs are related to lymphoid organ CD8+ DCs in that they are derived exclusively from pre-DCs under the control of fms-like tyrosine kinase 3 (Flt3) ligand, inhibitor of DNA protein 2 (Id2), and IFN regulatory protein 8 (IRF8). In contrast, lamina propria CD103+ DCs express CD11b and develop independently of Id2 and IRF8. The other population of CD11c+MHCII+ cells in tissues, which is CD103−CD11b+, is heterogenous and depends on both Flt3 and MCSF-R. Our results reveal that nonlymphoid tissue CD103+ DCs and lymphoid organ CD8+ DCs derive from the same precursor and follow a related differentiation program.

Summary

 Intestinal peristalsis is a dynamic physiologic process influenced by dietary and microbial changes. It is tightly regulated by complex cellular interactions; however, our understanding of these controls is incomplete. A distinct population of macrophages is distributed in the intestinal muscularis externa. We demonstrate that, in the steady state, muscularis macrophages regulate peristaltic activity of the colon. They change the pattern of smooth muscle contractions by secreting bone morphogenetic protein 2 (BMP2), which activates BMP receptor (BMPR) expressed by enteric neurons. Enteric neurons, in turn, secrete colony stimulatory factor 1 (CSF1), a growth factor required for macrophage development. Finally, stimuli from microbial commensals regulate BMP2 expression by macrophages and CSF1 expression by enteric neurons. Our findings identify a plastic, microbiota-driven crosstalk between muscularis macrophages and enteric neurons that controls gastrointestinal motility. 

PaperFlick

Dendritic cells (DCs) in tissues and lymphoid organs comprise distinct functional subsets that differentiate in situ from circulating progenitors. Tissue-specific signals that regulate DC subset differentiation are poorly understood. We report that DC-specific deletion of the Notch2 receptor caused a reduction of DC populations in the spleen. Within the splenic CD11b+ DC subset, Notch signaling blockade ablated a distinct population marked by high expression of the adhesion molecule Esam. The Notch-dependent Esamhi DC subset required lymphotoxin beta receptor signaling, proliferated in situ, and facilitated CD4+ T cell priming. The Notch-independent Esamlo DCs expressed monocyte-related genes and showed superior cytokine responses. In addition, Notch2 deletion led to the loss of CD11b+CD103+ DCs in the intestinal lamina propria and to a corresponding decrease of IL-17-producing CD4+ T cells in the intestine. Thus, Notch2 is a common differentiation signal for T cell-priming CD11b+ DC subsets in the spleen and intestine.

Langerin is a C-type lectin receptor that recognizes glycosylated patterns on pathogens. Langerin is used to identify human and mouse epidermal Langerhans cells (LCs), as well as migratory LCs in the dermis and the skin draining lymph nodes (DLNs). Using a mouse model that allows conditional ablation of langerin+ cells in vivo, together with congenic bone marrow chimeras and parabiotic mice as tools to differentiate LC- and blood-derived dendritic cells (DCs), we have revisited the origin of langerin+ DCs in the skin DLNs. Our results show that in contrast to the current view, langerin+CD8− DCs in the skin DLNs do not derive exclusively from migratory LCs, but also include blood-borne langerin+ DCs that transit through the dermis before reaching the DLN. The recruitment of circulating langerin+ DCs to the skin is dependent on endothelial selectins and CCR2, whereas their recruitment to the skin DLNs requires CCR7 and is independent of CD62L. We also show that circulating langerin+ DCs patrol the dermis in the steady state and migrate to the skin DLNs charged with skin antigens. We propose that this is an important and previously unappreciated element of immunosurveillance that needs to be taken into account in the design of novel vaccine strategies.

GM-CSF (Csf-2) is a critical cytokine for the in vitro generation of dendritic cells (DCs) and is thought to control the development of inflammatory DCs and resident CD103+ DCs in some tissues. Here we showed that in contrast to the current understanding, Csf-2 receptor acts in the steady state to promote the survival and homeostasis of nonlymphoid tissue-resident CD103+ and CD11b+ DCs. Absence of Csf-2 receptor on lung DCs abrogated the induction of CD8+ T cell immunity after immunization with particulate antigens. In contrast, Csf-2 receptor was dispensable for the differentiation and innate function of inflammatory DCs during acute injuries. Instead, inflammatory DCs required Csf-1 receptor for their development. Thus, Csf-2 is important in vaccine-induced CD8+ T cell immunity through the regulation of nonlymphoid tissue DC homeostasis rather than control of inflammatory DCs in vivo.

Antibodies to DNA and chromatin drive autoimmunity in systemic lupus erythematosus (SLE). Null mutations and hypomorphic variants of the secreted deoxyribonuclease DNASE1L3 are linked to familial and sporadic SLE, respectively. We report that DNASE1L3-deficient mice rapidly develop autoantibodies to DNA and chromatin, followed by an SLE-like disease. Circulating DNASE1L3 is produced by dendritic cells and macrophages, and its levels inversely correlate with anti-DNA antibody response. DNASE1L3 is uniquely capable of digesting chromatin in microparticles released from apoptotic cells. Accordingly, DNASE1L3-deficient mice and human patients have elevated DNA levels in plasma, particularly in circulating microparticles. Murine and human autoantibody clones and serum antibodies from human SLE patients bind to DNASE1L3-sensitive chromatin on the surface of microparticles. Thus, extracellular microparticle-associated chromatin is a potential self-antigen normally digested by circulating DNASE1L3. The loss of this tolerance mechanism can contribute to SLE, and its restoration may represent a therapeutic opportunity in the disease.