Regulatory variants are often context specific, modulating gene expression in a subset of possible cellular states. Although these genetic effects can play important roles in disease, the molecular mechanisms underlying context specificity are poorly understood. Here, we identified shared quantitative trait loci (QTLs) for chromatin accessibility and gene expression in human macrophages exposed to IFNγ, Salmonella and IFNγ plus Salmonella. We observed that ~60% of stimulus-specific expression QTLs with a detectable effect on chromatin altered the chromatin accessibility in naive cells, thus suggesting that they perturb enhancer priming. Such variants probably influence binding of cell-type-specific transcription factors, such as PU.1, which can then indirectly alter the binding of stimulus-specific transcription factors, such as NF-κB or STAT2. Thus, although chromatin accessibility assays are powerful for fine-mapping causal regulatory variants, detecting their downstream effects on gene expression will be challenging, requiring profiling of large numbers of stimulated cellular states and time points.

Virtually all of the elements of Mycobacterium tuberculosis (Mtb) pathogenesis, including pro-inflammatory cytokine production, granuloma formation, cachexia, and mortality, can be induced by its predominant cell wall glycolipid, trehalose 6,6′-dimycolate (TDM/cord factor). TDM mediates these potent inflammatory responses via interactions with macrophages both in vitro and in vivo in a myeloid differentiation factor 88 (MyD88)-dependent manner via phosphorylation of the mitogen activated protein kinases (MAPKs), implying involvement of toll-like receptors (TLRs). However, specific TLRs or binding receptors for TDM have yet to be identified. Herein, we demonstrate that the macrophage receptor with collagenous structure (MARCO), a class A scavenger receptor, is utilized preferentially to “tether” TDM to the macrophage and to activate the TLR2 signaling pathway. TDM-induced signaling, as measured by a nuclear factor-kappa B (NF-κB)-luciferase reporter assay, required MARCO in addition to TLR2 and CD14. MARCO was used preferentially over the highly homologous scavenger receptor class A (SRA), which required TLR2 and TLR4, as well as their respective accessory molecules, in order for a slight increase in NF-κB signaling to occur. Consistent with these observations, macrophages from MARCO−/− or MARCO−/−SRA−/− mice are defective in activation of extracellular signal-related kinase 1/2 (ERK1/2) and subsequent pro-inflammatory cytokine production in response to TDM. These results show that MARCO-expressing macrophages secrete pro-inflammatory cytokines in response to TDM by cooperation between MARCO and TLR2/CD14, whereas other macrophage subtypes (e.g. bone marrow–derived) may rely somewhat less effectively on SRA, TLR2/CD14, and TLR4/MD2. Macrophages from MARCO−/− mice also produce markedly lower levels of pro-inflammatory cytokines in response to infection with virulent Mtb. These observations identify the scavenger receptors as essential binding receptors for TDM, explain the differential response to TDM of various macrophage populations, which differ in their expression of the scavenger receptors, and identify MARCO as a novel component required for TLR signaling.

ABSTRACT The intestinal mucosa forms the first line of defense against infections mediated by enteric pathogens such as salmonellae. Here we exploited intestinal “organoids” (iHOs) generated from human induced pluripotent stem cells (hIPSCs) to explore the interaction of Salmonella enterica serovar Typhimurium with iHOs. Imaging and RNA sequencing were used to analyze these interactions, and clear changes in transcriptional signatures were detected, including altered patterns of cytokine expression after the exposure of iHOs to bacteria. S . Typhimurium microinjected into the lumen of iHOs was able to invade the epithelial barrier, with many bacteria residing within Salmonella -containing vacuoles. An S . Typhimurium invA mutant defective in the Salmonella pathogenicity island 1 invasion apparatus was less capable of invading the iHO epithelium. Hence, we provide evidence that hIPSC-derived organoids are a promising model of the intestinal epithelium for assessing interactions with enteric pathogens.

Abstract EROS (Essential for Reactive Oxygen Species) protein is indispensable for expression of gp91 phox , the catalytic core of the phagocyte NADPH oxidase. EROS deficiency in humans is a novel cause of the severe immunodeficiency, chronic granulomatous disease (CGD), but its mechanism of action was unknown until now. We elucidate the role of EROS, showing it acts at the earliest stages of gp91 phox maturation. It binds the immature 58kDa gp91 phox directly, preventing gp91 phox degradation and allowing glycosylation via the oligosaccharyltransferase (OST) machinery and the incorporation of the heme prosthetic groups essential for catalysis. EROS also regulates the purine receptors P2X7 and P2X1 through direct interactions and P2X7 is almost absent in EROS deficient mouse and human primary cells. Accordingly, lack of EROS results in markedly abnormal P2X7 signalling, inflammasome activation and T cell responses. The loss of both ROS and P2X7 signalling leads to resistance to influenza infection. Our work identifies EROS as a highly selective chaperone for key proteins in innate and adaptive immunity and a rheostat for immunity to infection. It has profound implications for our understanding of immune physiology, ROS dysregulation and possibly gene therapy.

Macrophages differentiated from human induced pluripotent stem cells (IPSDMs) are a potentially valuable new tool for linking genotype to phenotype in functional studies. However, at a genome-wide level these cells have remained largely uncharacterised. Here, we compared the transcriptomes of naïve and lipopolysaccharide (LPS) stimulated monocyte-derived macrophages (MDMs) and IPSDMs using RNA-Seq. The IPSDM and MDM transcriptomes were broadly similar and exhibited a highly conserved response to LPS. However, there were also significant differences in the expression of genes associated with antigen presentation and tissue remodelling. Furthermore, genes coding for multiple chemokine involved in neutrophil recruitment were more highly expressed in IPSDMs upon LPS stimulation. Additionally, analysing individual transcript expression identified hundreds of genes undergoing alternative promoter and 3′ untranslated region usage following LPS treatment representing a previously under-appreciated level of regulation in the LPS response.

Abstract Vomocytosis, also known as nonlytic exocytosis, is a process whereby fully phagocytosed microbes are expelled from phagocytes without discernible damage to either the phagocyte or microbe. Although this phenomenon was first described in the opportunistic fungal pathogen Cryptococcus neoformans in 2006, to date, mechanistic studies have been hampered by an inability to reliably stimulate or inhibit vomocytosis. Here we present the fortuitous discovery that macrophages lacking the scavenger receptor MAcrophage Receptor with COllagenous domain (MARCO), exhibit near-total vomocytosis of internalised cryptococci within a few hours of infection. Our findings suggest that MARCO’s role in modulating vomocytosis is independent of its role as a phagocytic receptor and instead may be driven by variation in cytoskeletal arrangement between wildtype and MARCO-deficient macrophages.

Abstract The opportunistic fungal pathogen Cryptococcus neoformans causes lethal infections in immunocompromised patients. Macrophages are central to the host response to cryptococci; however, it is unclear how C. neoformans is recognized and phagocytosed by macrophages. Here we investigate the role of TLR4 in the nonopsonic phagocytosis of C. neoformans . We find that loss of TLR4 function unexpectedly increases phagocytosis of nonopsonized cryptococci. The increased phagocytosis observed in Tlr4 -/- cells was dampened by pre-treatment of macrophages with either a TLR3 inhibitor or oxidised-LDL, a known ligand of scavenger receptors. The scavenger receptor, macrophage scavenger receptor 1 (MSR1) (also known as SR-A1 or CD204) was upregulated in Tlr4 -/- macrophages and there was a 75% decrease in phagocytosis of nonopsonized cryptococci by Msr1 -/- macrophages. Furthermore, immunofluorescence imaging revealed colocalization of MSR1 and internalised cryptococci. Together, these results identify MSR1 as a key receptor for the phagocytosis of nonopsonized C. neoformans and demonstrate TLR4/MSR1 crosstalk in the phagocytosis of C. neoformans .

ABSTRACT Background and aims Non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) is a major health care challenge and new therapies are urgently needed. However, the mechanisms underlying disease remain to be understood. Indeed, studying NAFLD remains challenging due to the lack of model systems recapitulating the different aspects of the human pathology. Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) offer a unique opportunity to address this limitation since they can be differentiated into large quantity of liver cells. Here, we took advantage of hiPSCs to develop a multi-cellular platform mimicking the complex interplays involved in NAFLD progression. Methods hiPSCs-derived hepatocyte like cells (HLCs), cholangiocytes, stellate cells, and macrophages were co-cultured in a collagen-based 3D system to reproduce the liver microenvironment. Fatty acid treatments led to a NAFLD phenotype involving cell-cell interactions which were investigated by transcriptomic and functional analyses. Results Hepatic cells were grown up to 4weeks in 3D, retaining key functions and markers. Importantly, co-cultured cells spontaneously reorganised into physiologically relevant connections: HLCs arranged around biliary structures, which established contacts with stellate cells, while macrophages organised around HLCs. Fatty acid treatments induced steatosis and lipotoxicity in HLCs. Furthermore, fat-laden HLCs prompted a non-parenchymal cells response altering tissue architecture. Conclusions Our multicellular platform provides a new approach to model interactions between human hepatic cells during NAFLD progression. Such approach has the potential to investigate the sequential events driving chronic liver diseases, including hepatocellular injury, inflammation and fibrosis. Furthermore, our system provides a unique and urgently needed tool to investigate the molecular mechanisms associated with NAFLD and ultimately to validate new targets for therapeutics development. List of abbreviations COs, cholangiocytes organoids; FFA, free fatty acids; hiPSCs, human induced pluripotent stem cells; HLCs, hepatocyte like cells; HSCs, hepatic stellate cells; M0, hiPSCs-derived macrophages; NAFLD, non-alcoholic fatty liver disease; NPCs, non-parenchymal cells; OA, oleic acid; PA, palmitic acid.

Macrophages provide a first line of defence against microorganisms, and while some mechanisms to kill pathogens such as the oxidative burst are well described, others are still undefined or unknown. Here we report that the Rab32 GTPase and its guanine nucleotide exchange factor BLOC-3 are central components of a trafficking pathway that controls both bacterial and fungal intracellular pathogens. This broad host-defence mechanism is active in both human and murine macrophages and is independent of well known antimicrobial mechanisms such as the NADPH-dependent oxidative burst, production of nitric oxide and antimicrobial peptides. To survive in human macrophages, Salmonella Typhi actively counteracts the Rab32/BLOC-3 pathway through its Salmonella pathogenicity island-1-encoded type III secretion system. These findings demonstrate that the Rab32/BLOC-3 pathway is a novel and universal host-defence pathway and protects mammalian species from a wide range of intracellular pathogens.

Noncoding regulatory variants are often highly context-specific, modulating gene expression in a small subset of possible cellular states. Although these genetic effects are likely to play important roles in disease, the molecular mechanisms underlying context-specificity are not well understood. Here, we identify shared quantitative trait loci (QTLs) for chromatin accessibility and gene expression (eQTLs) and show that a large fraction (~60%) of eQTLs that appear following macrophage immune stimulation alter chromatin accessibility in unstimulated cells, suggesting they perturb enhancer priming. We show that such variants are likely to influence the binding of cell type specific transcription factors (TFs), such as PU.1, which then indirectly alter the binding of stimulus-specific TFs, such as NF-κB or STAT2. Our results imply that, although chromatin accessibility assays are powerful for fine mapping causal noncoding variants, detecting their downstream impact on gene expression will be challenging, requiring profiling of large numbers of stimulated cellular states and timepoints.