Caspase-dependent apoptosis accounts for approximately 90% of homeostatic cell turnover in the body1, and regulates inflammation, cell proliferation, and tissue regeneration2-4. How apoptotic cells mediate such diverse effects is not fully understood. Here we profiled the apoptotic metabolite secretome and determined its effects on the tissue neighbourhood. We show that apoptotic lymphocytes and macrophages release specific metabolites, while retaining their membrane integrity. A subset of these metabolites is also shared across different primary cells and cell lines after the induction of apoptosis by different stimuli. Mechanistically, the apoptotic metabolite secretome is not simply due to passive emptying of cellular contents and instead is a regulated process. Caspase-mediated opening of pannexin 1 channels at the plasma membrane facilitated the release of a select subset of metabolites. In addition, certain metabolic pathways continued to remain active during apoptosis, with the release of only select metabolites from a given pathway. Functionally, the apoptotic metabolite secretome induced specific gene programs in healthy neighbouring cells, including suppression of inflammation, cell proliferation, and wound healing. Furthermore, a cocktail of apoptotic metabolites reduced disease severity in mouse models of inflammatory arthritis and lung-graft rejection. These data advance the concept that apoptotic cells are not inert cells waiting for removal, but instead release metabolites as 'good-bye' signals to actively modulate outcomes in tissues.

Although previous studies have described CD25 expression and production of interleukin-2 (IL-2) by mature dendritic cells (mDCs), it remains unclear how these molecules participate in the activation of T cells. In search of the mechanisms by which daclizumab, a humanized monoclonal antibody against CD25, inhibits brain inflammation in multiple sclerosis, we observed that although the drug has limited effects on polyclonal T cell activation, it potently inhibits activation of antigen-specific T cells by mDCs. We show that mDCs (and antigen-experienced T cells) secrete IL-2 toward the mDC-T cell interface in an antigen-specific manner, and mDCs 'lend' their CD25 to primed T cells in trans to facilitate early high-affinity IL-2 signaling, which is crucial for subsequent T cell expansion and development of antigen-specific effectors. Our data reveal a previously unknown mechanism for the IL-2 receptor system in DC-mediated activation of T cells.

Development and routine tissue homeostasis require a high turnover of apoptotic cells. These cells are removed by professional and non-professional phagocytes via efferocytosis1. How a phagocyte maintains its homeostasis while coordinating corpse uptake, processing ingested materials and secreting anti-inflammatory mediators is incompletely understood1,2. Here, using RNA sequencing to characterize the transcriptional program of phagocytes actively engulfing apoptotic cells, we identify a genetic signature involving 33 members of the solute carrier (SLC) family of membrane transport proteins, in which expression is specifically modulated during efferocytosis, but not during antibody-mediated phagocytosis. We assessed the functional relevance of these SLCs in efferocytic phagocytes and observed a robust induction of an aerobic glycolysis program, initiated by SLC2A1-mediated glucose uptake, with concurrent suppression of the oxidative phosphorylation program. The different steps of phagocytosis2-that is, 'smell' ('find-me' signals or sensing factors released by apoptotic cells), 'taste' (phagocyte-apoptotic cell contact) and 'ingestion' (corpse internalization)-activated distinct and overlapping sets of genes, including several SLC genes, to promote glycolysis. SLC16A1 was upregulated after corpse uptake, increasing the release of lactate, a natural by-product of aerobic glycolysis3. Whereas glycolysis within phagocytes contributed to actin polymerization and the continued uptake of corpses, lactate released via SLC16A1 promoted the establishment of an anti-inflammatory tissue environment. Collectively, these data reveal a SLC program that is activated during efferocytosis, identify a previously unknown reliance on aerobic glycolysis during apoptotic cell uptake and show that glycolytic by-products of efferocytosis can influence surrounding cells.

Objective Generalized anxiety disorder (GAD) typically begins during adolescence and can persist into adulthood. The pathophysiological mechanisms underlying this disorder remain unclear. Recent evidence from resting state functional magnetic resonance imaging (R-fMRI) studies in adults suggests disruptions in amygdala-based circuitry; the present study examines this issue in adolescents with GAD. Method Resting state fMRI scans were obtained from 15 adolescents with GAD and 20 adolescents without anxiety who were group matched on age, sex, scanner, and intelligence. Functional connectivity of the centromedial, basolateral, and superficial amygdala subdivisions was compared between groups. We also assessed the relationship between amygdala network dysfunction and anxiety severity. Results Adolescents with GAD exhibited disruptions in amygdala-based intrinsic functional connectivity networks that included regions in medial prefrontal cortex, insula, and cerebellum. Positive correlations between anxiety severity scores and amygdala functional connectivity with insula and superior temporal gyrus were also observed within the GAD group. There was some evidence of greater overlap (less differentiation of connectivity patterns) of the right basolateral and centromedial amygdala networks in the adolescents with, relative to those without, GAD. Conclusions These findings suggest that adolescents with GAD manifest alterations in amygdala circuits involved in emotion processing, similar to findings in adults. In addition, disruptions were observed in amygdala-based networks involved in fear processing and the coding of interoceptive states. Generalized anxiety disorder (GAD) typically begins during adolescence and can persist into adulthood. The pathophysiological mechanisms underlying this disorder remain unclear. Recent evidence from resting state functional magnetic resonance imaging (R-fMRI) studies in adults suggests disruptions in amygdala-based circuitry; the present study examines this issue in adolescents with GAD. Resting state fMRI scans were obtained from 15 adolescents with GAD and 20 adolescents without anxiety who were group matched on age, sex, scanner, and intelligence. Functional connectivity of the centromedial, basolateral, and superficial amygdala subdivisions was compared between groups. We also assessed the relationship between amygdala network dysfunction and anxiety severity. Adolescents with GAD exhibited disruptions in amygdala-based intrinsic functional connectivity networks that included regions in medial prefrontal cortex, insula, and cerebellum. Positive correlations between anxiety severity scores and amygdala functional connectivity with insula and superior temporal gyrus were also observed within the GAD group. There was some evidence of greater overlap (less differentiation of connectivity patterns) of the right basolateral and centromedial amygdala networks in the adolescents with, relative to those without, GAD. These findings suggest that adolescents with GAD manifest alterations in amygdala circuits involved in emotion processing, similar to findings in adults. In addition, disruptions were observed in amygdala-based networks involved in fear processing and the coding of interoceptive states.

The contribution of thymic antigen-presenting-cell (APC) subsets in selecting a self-tolerant T cell population remains unclear. We show that bone marrow (BM) APCs and medullary thymic epithelial cells (mTECs) played nonoverlapping roles in shaping the T cell receptor (TCR) repertoire by deletion and regulatory T (Treg) cell selection of distinct TCRs. Aire, which induces tissue-specific antigen expression in mTECs, affected the TCR repertoire in a manner distinct from mTEC presentation. Approximately half of Aire-dependent deletion or Treg cell selection utilized a pathway dependent on antigen presentation by BM APCs. Batf3-dependent CD8α+ dendritic cells (DCs) were the crucial BM APCs for Treg cell selection via this pathway, showing enhanced ability to present antigens from stromal cells. These results demonstrate the division of function between thymic APCs in shaping the self-tolerant TCR repertoire and reveal an unappreciated cooperation between mTECs and CD8α+ DCs for presentation of Aire-induced self-antigens to developing thymocytes.

Professional phagocytes like neutrophils and macrophages tightly control what they consume, how much they consume, and when they move after cargo uptake. We show that plasma membrane abundance is a key arbiter of these cellular behaviors. Neutrophils and macrophages lacking the G protein subunit Gβ 4 exhibited profound plasma membrane expansion, accompanied by marked reduction in plasma membrane tension. These biophysical changes promoted the phagocytosis of bacteria, fungus, apoptotic corpses, and cancer cells. We also found that Gβ 4 -deficient neutrophils are defective in the normal inhibition of migration following cargo uptake. Sphingolipid synthesis played a central role in these phenotypes by driving plasma membrane accumulation in cells lacking Gβ 4 . In Gβ 4 knockout mice, neutrophils not only exhibited enhanced phagocytosis of inhaled fungal conidia in the lung but also increased trafficking of engulfed pathogens to other organs. Together, these results reveal an unexpected, biophysical control mechanism central to myeloid functional decision-making.

Phagocytosis is an intensely physical process that depends on the mechanical properties of both the phagocytic cell and its chosen target. Here, we employed differentially deformable hydrogel microparticles to examine the role of cargo rigidity in the regulation of phagocytosis by macrophages. Whereas stiff cargos elicited canonical phagocytic cup formation and rapid engulfment, soft cargos induced an architecturally distinct response, characterized by filamentous actin protrusions at the center of the contact site, slower cup advancement, and frequent phagocytic stalling. Using phosphoproteomics, we identified β 2 integrins and their downstream effectors as critical mediators of this mechanically regulated phagocytic switch. Indeed, comparison of wild type and β 2 integrin deficient macrophages indicated that integrin signaling acts as a mechanical checkpoint by shaping filamentous actin to enable distinct phagocytic engulfment strategies. Collectively, these results illuminate the molecular logic of leukocyte mechanosensing and reveal potential avenues for modulating phagocyte function in immunotherapeutic contexts.

The appropriate development of macrophages, the body's professional phagocyte, is essential for organismal development, especially in mammals. This dependence is exemplified by the observation that loss-of-function mutations in colony stimulating factor 1 receptor (CSF1R) results in multiple tissue abnormalities owing to an absence of macrophages. Despite this importance, little is known about the molecular and cell biological regulation of macrophage development. Here, we report the surprising finding that the chloride-sensing kinase With-no-lysine 1 (WNK1) is required for development of tissue-resident macrophages (TRMs). Myeloid-specific deletion of Wnk1 resulted in a dramatic loss of TRMs, disrupted organ development, systemic neutrophilia, and mortality between 3 and 4 weeks of age. Strikingly, we found that myeloid progenitors or precursors lacking WNK1 not only failed to differentiate into macrophages, but instead differentiated into neutrophils. Mechanistically, the cognate CSF1R cytokine macrophage-colony stimulating factor (M-CSF) stimulates macropinocytosis by both mouse and human myeloid progenitors and precursor cells. Macropinocytosis, in turn, induces chloride flux and WNK1 phosphorylation. Importantly, blocking macropinocytosis, perturbing chloride flux during macropinocytosis, and inhibiting WNK1 chloride-sensing activity each skewed myeloid progenitor differentiation from macrophages into neutrophils. Thus, we have elucidated a role for WNK1 during macropinocytosis and discovered a novel function of macropinocytosis in myeloid progenitors and precursor cells to ensure macrophage lineage fidelity.Myeloid-specific WNK1 loss causes failed macrophage development and premature deathM-CSF-stimulated myeloid progenitors and precursors become neutrophils instead of macrophagesM-CSF induces macropinocytosis by myeloid progenitors, which depends on WNK1Macropinocytosis enforces macrophage lineage commitment.

Dysbiosis of the vaginal microbiome is associated with vaginal colonization by potential pathogens including Fusobacterium nucleatum, a bacterium linked with intrauterine infection and preterm birth. However, mechanisms by which such pathogens gain a foothold in the dysbiotic vagina remain obscure. Here we demonstrate that sialidase activity, a biochemical marker of vaginal dysbiosis, promoted F. nucleatum foraging on mammalian sialoglycans, an otherwise inaccessible resource. In mice with sialidase-positive vaginal microbiomes, mutant F. nucleatum unable to consume sialic acids displayed impaired colonization. Furthermore, community- and co-culture experiments showed that F. nucleatum did not simply take advantage of sialidase-positive bacteria, but also 'gave back' to the community, supporting robust outgrowth of sialidase-producers, including Gardnerella vaginalis. These results illustrate that mutualistic relationships between vaginal bacteria support pathogen colonization and reinforce dysbiosis, adding complexity to the simplistic dogma that the mere absence of 'healthy' lactobacilli is what creates a permissive environment for pathogens during dysbiosis.

Summary Apoptotic cell clearance (efferocytosis), a process essential for organismal homeostasis, is performed by phagocytes that inhabit a wide range of environments, including physiologic hypoxia. Here, we find macrophages, the predominant tissue-resident phagocyte, display enhanced efferocytosis under prolonged (chronic) physiological hypoxia, characterized by increased internalization and accelerated degradation of apoptotic cells. Analysis of mRNA and protein programs revealed that chronic physiological hypoxia induces two distinct but complimentary states in macrophages. The first, ‘primed’ state consists of concomitant induction of transcriptional and translational programs broadly associated with metabolism in apoptotic cell-naïve macrophages that persist during efferocytosis. The second, ‘poised’ state consists of transcription, but not translation, of phagocyte function programs in apoptotic cell-naïve macrophages that are subsequently translated during efferocytosis. Importantly, we discovered that both states are necessary for enhanced continual efferocytosis. Mechanistically, we find that one such ‘primed’ state consists of the efficient flux of glucose into a noncanonical pentose phosphate pathway (PPP) loop, whereby PPP-derived intermediates cycle back through the PPP to enhance production of NADPH. Furthermore, we found that PPP-derived NADPH directly supports enhanced continual efferocytosis under chronic physiological hypoxia via its role in phagolysosomal maturation and maintenance of cellular redox homeostasis. Thus, macrophages residing under chronic physiological hypoxia adopt states that both support cell fitness and ensure ability to perform essential homeostatic functions rapidly and safely. Highlights - Macrophages residing in chronic physiological hypoxia have enhanced apoptotic cell uptake and degradation - Chronic physiological hypoxia induces both primed and poised states in macrophages - Both primed and poised state programs directly support enhanced continual efferocytosis - A noncanonical PPP loop, a unique primed state, directly supports enhanced efferocytosis and maintains redox homeostasis