Expression of miR-124, a microglial microRNA, reduces disease in a mouse model of multiple sclerosis by inhibiting the transcription factor C/EBP-α and its downstream target PU.1. MicroRNAs are a family of regulatory molecules involved in many physiological processes, including differentiation and activation of cells of the immune system. We found that brain-specific miR-124 is expressed in microglia but not in peripheral monocytes or macrophages. When overexpressed in macrophages, miR-124 directly inhibited the transcription factor CCAAT/enhancer-binding protein-α (C/EBP-α) and its downstream target PU.1, resulting in transformation of these cells from an activated phenotype into a quiescent CD45low, major histocompatibility complex (MHC) class IIlow phenotype resembling resting microglia. During experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), miR-124 was downregulated in activated microglia. Peripheral administration of miR-124 in EAE caused systemic deactivation of macrophages, reduced activation of myelin-specific T cells and marked suppression of disease. Conversely, knockdown of miR-124 in microglia and macrophages resulted in activation of these cells in vitro and in vivo. These findings identify miR-124 both as a key regulator of microglia quiescence in the central nervous system and as a previously unknown modulator of monocyte and macrophage activation.

Abstract The cannabinoid system is known to be important in neuronal regulation, but is also capable of modulating immune function. Although the CNS resident microglial cells have been shown to express the CB 2 subtype of cannabinoid receptor during non‐immune‐mediated pathological conditions, little is known about the expression of the cannabinoid system during immune‐mediated CNS pathology. To examine this question, we measured CB 2 receptor mRNA expression in the CNS of mice with experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) and, by real‐time PCR, found a 100‐fold increase in CB 2 receptor mRNA expression during EAE onset. We next determined whether microglial cells specifically express the CB 2 receptor during EAE, and found that activated microglial cells expressed 10‐fold more CB 2 receptor than microglia in the resting state. To determine the signals required for the up‐regulation of the CB 2 receptor, we cultured microglial cells with combinations of γ‐interferon (IFN‐γ) and granulocyte) macrophage‐colony stimulating factor (GM‐CSF), which both promote microglial cell activation and are expressed in the CNS during EAE, and found that they synergized, resulting in an eight to 10‐fold increase in the CB 2 receptor. We found no difference in the amount of the CB 2 receptor ligand, 2‐arachidonylglycerol (2‐AG), in the spinal cord during EAE. These data demonstrate that microglial cell activation is accompanied by CB 2 receptor up‐regulation, suggesting that this receptor plays an important role in microglial cell function in the CNS during autoimmune‐induced inflammation.

Abstract Microglial cells are central nervous system (CNS) resident cells that are thought to become activated and contribute to the inflammation that occurs in the human autoimmune disease multiple sclerosis (MS). This has never been proven, however, because microglial cells cannot be phenotypically distinguished from peripheral macrophages that accumulate in MS inflammatory lesions. To study the kinetics and nature of microglial cell activation in the CNS, we used the animal model of MS, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), and induced EAE in bone marrow (BM) chimera mice generated using major histocompatibility complex (MHC)‐mismatched donor BM, allowing the separation of microglial cells and peripheral monocytes/macrophages. We found that microglial cell activation was evident before onset of disease symptoms and infiltration of peripheral myeloid cells into the CNS. Activated microglial cells underwent proliferation and upregulated the expression of CD45, MHC class II, CD40, CD86, and the dendritic cell marker CD11c. At the peak of EAE disease, activated microglial cells comprised 37% of the total macrophage and dendritic cell populations and colocalized with infiltrating leukocytes in inflammatory lesions. Our findings thus definitively demonstrate that during EAE, microglial cells become activated early in EAE disease and then differentiate into both macrophages and dendritic‐like cells, suggesting they play an active role in the pathogenesis of EAE and MS. © 2005 Wiley‐Liss, Inc.

Regulation of inflammation in the CNS is essential to prevent irreversible cellular damage that can occur in neurodegenerative diseases such as multiple sclerosis (MS). We investigated the role of interleukin-4 (IL-4) in regulating CNS inflammation using the animal model of MS, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). We found that CNS-derived IL-4 was a critical regulator because mice with a deficiency in IL-4 production in the CNS, but not the periphery, had exacerbated EAE associated with a significant increase in the absolute number of infiltrating inflammatory cells. We also found that CNS-resident microglial cells in both the resting and activated state produced the protein Ym1, which is a marker of alternatively activated macrophages (aaMΦs), in an IL-4-dependent manner. This aaMΦ phenotype extended to the lack of nitric oxide (NO) production by activated microglial cells, which is a marker of classically activated macrophages. We also show that IL-4 induced the expression of Ym1 in peripheral infiltrating macrophages, which also produce NO. Thus, macrophages that migrate into the CNS exhibit a dual phenotype. These data indicate that IL-4 production in the CNS is essential for controlling autoimmune inflammation by inducing a microglial cell aaMΦ phenotype. Macrophages that have undergone alternative activation have been shown to be important in tissue repair; thus, our results suggest a new role for microglial cells in the regulation of inflammation in the CNS.

Abstract Multiple sclerosis (MS) is a CNS autoimmune disease believed to be triggered by T cells secreting Th1-specific proinflammatory cytokines, such as GM-CSF. In the animal model of MS, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), Th1 but not Th2 cells have been shown to induce disease; however, to date, no single encephalitogenic T cell-derived cytokine has been shown to be required for EAE onset. Because GM-CSF-deficient mice have been shown to be resistant to EAE following immunization with myelin self-Ag, we investigated the cellular source of the required GM-CSF and found that GM-CSF production by encephalitogenic T cells, but not CNS resident or other peripheral cells, was required for EAE induction. Furthermore, we showed that microglial cell activation, but not peripheral macrophage activation, was a GM-CSF-dependent process. Activation of microglial cells by the injection of LPS abrogated the GM-CSF requirement for EAE induction, suggesting that microglial cell activation is required for EAE onset. These data also demonstrate that GM-CSF is a critical Th1 cell-derived cytokine required for the initiation of CNS inflammation associated with EAE, and likely MS.

Abstract Lipid metabolism is important for alternative (M2) macrophage activation, but it remains unclear whether it is essential for this process, and the underlying mechanisms have yet to be determined. It is also unclear how the M2 phenotype is induced during the resolution of inflammation and tissue repair. We used large-scale RNA-sequencing and high-throughput lipidomics approaches to identify that during blood coagulation, granulocytes release certain lipids that are loaded onto high-density lipoproteins (HDLs), which then act via scavenger receptors SR-B1 and SR-B3 - to mediate the expression of 26 of 32 M2-associated genes and oxidative phosphorylation (OXPHOS) in macrophages. We found that in the absence of these lipids, interleukin-4 (IL-4) induced only 6 of 32 M2 markers, and this cytokine alone failed to induce OXPHOS. We also found that the HDL-associated C18:0, C18:2, and C20:3 fatty acids (FAs) were the lipids that most potently induced the M1-to-M2 transition. Furthermore, we determined that during IL-4-mediated inflammation, the inhibition of blood coagulation, or platelet and granulocyte depletion, results in a substantial decrease in M2 marker expression. Thus, this study identified that granulocyte-derived FAs mediate the reprogramming of macrophages towards the M2 phenotype, thereby bridging the processes of blood coagulation, inflammation, and repair. Highlights Activation of macrophages with IL-4 or IL-13 requires indispensable cofactor The cofactor consists of high-density lipoproteins (HDLs) complexed with lipids During blood coagulation, granulocytes produce lipids that are loaded on HDLs HDL-associated fatty acids were the most potent lipids to induce M2 phenotype Graphic Abstract