Toll-like receptors (TLRs) have been shown to participate in the recognition of pathogens by the innate immune system, but it is not clear how a restricted family of receptors has the capacity to recognize the wide spectrum of TLR stimuli known to exist. We report here that two members of the TLR family, TLR2 and TLR6, together coordinate macrophage activation by Gram-positive bacteria and the yeast cell-wall particle, zymosan. TLR6 and TLR2 both are recruited to the macrophage phagosome, where they recognize peptidoglycan, a Gram-positive pathogen component. By contrast, TLR2 recognizes another component, bacterial lipopeptide, without TLR6. The requirement for TLR cooperation is supported by the finding that TLR2 needs a partner to activate tumor necrosis factor-α production in macrophages. Dimerization of the cytoplasmic domain of TLR2 does not induce tumor necrosis factor-α production in macrophages, whereas similar dimerization of the TLR4 cytoplasmic domain does. We show that the cytoplasmic domain of TLR2 can form functional pairs with TLR6 or TLR1, and this interaction leads to cytokine induction. Thus, the cytoplasmic tails of TLRs are not functionally equivalent, with certain TLRs requiring assembly into heteromeric complexes, whereas others are active as homomeric complexes. Finally, we show that TLR6, TLR2, and TLR1 are recruited to macrophage phagosomes that contain IgG-coated erythrocytes that do not display microbial components. The data suggest that TLRs sample the contents of the phagosome independent of the nature of the contents, and can establish a combinatorial repertoire to discriminate among the large number of pathogen-associated molecular patterns found in nature.

Pyroptosis is a form of proinflammatory cell suicide whose physiological importance is unclear. Aderem and colleagues show that pyroptosis can be integral to protection against bacterial infection. Macrophages mediate crucial innate immune responses via caspase-1-dependent processing and secretion of interleukin 1β (IL-1β) and IL-18. Although infection with wild-type Salmonella typhimurium is lethal to mice, we show here that a strain that persistently expresses flagellin was cleared by the cytosolic flagellin-detection pathway through the activation of caspase-1 by the NLRC4 inflammasome; however, this clearance was independent of IL-1β and IL-18. Instead, caspase-1-induced pyroptotic cell death released bacteria from macrophages and exposed the bacteria to uptake and killing by reactive oxygen species in neutrophils. Similarly, activation of caspase-1 cleared unmanipulated Legionella pneumophila and Burkholderia thailandensis by cytokine-independent mechanisms. This demonstrates that activation of caspase-1 clears intracellular bacteria in vivo independently of IL-1β and IL-18 and establishes pyroptosis as an efficient mechanism of bacterial clearance by the innate immune system.

The complete sequences of Takifugu Toll-like receptor (TLR) loci and gene predictions from many draft genomes enable comprehensive molecular phylogenetic analysis. Strong selective pressure for recognition of and response to pathogen-associated molecular patterns has maintained a largely unchanging TLR recognition in all vertebrates. There are six major families of vertebrate TLRs. This repertoire is distinct from that of invertebrates. TLRs within a family recognize a general class of pathogen-associated molecular patterns. Most vertebrates have exactly one gene ortholog for each TLR family. The family including TLR1 has more species-specific adaptations than other families. A major family including TLR11 is represented in humans only by a pseudogene. Coincidental evolution plays a minor role in TLR evolution. The sequencing phase of this study produced finished genomic sequences for the 12 Takifugu rubripes TLRs. In addition, we have produced >70 gene models, including sequences from the opossum, chicken, frog, dog, sea urchin, and sea squirt.

Macrophages respond to Salmonella typhimurium infection via Ipaf, a NACHT–leucine-rich repeat family member that activates caspase-1 and secretion of interleukin 1β. However, the specific microbial salmonella-derived agonist responsible for activating Ipaf is unknown. We show here that cytosolic bacterial flagellin activated caspase-1 through Ipaf but was independent of Toll-like receptor 5, a known flagellin sensor. Stimulation of the Ipaf pathway in macrophages after infection required a functional salmonella pathogenicity island 1 type III secretion system but not the flagellar type III secretion system; furthermore, Ipaf activation could be recapitulated by the introduction of purified flagellin directly into the cytoplasm. These observations raise the possibility that the salmonella pathogenicity island 1 type III secretion system cannot completely exclude 'promiscuous' secretion of flagellin and that the host capitalizes on this 'error' by activating a potent host-defense pathway.

A major challenge for vaccinologists is to understand vaccine immunogenicity. Pulendran and colleagues use systems biology to determine gene 'signatures' that predict CD8+ T cell and antibody responses to the yellow fever vaccine. A major challenge in vaccinology is to prospectively determine vaccine efficacy. Here we have used a systems biology approach to identify early gene 'signatures' that predicted immune responses in humans vaccinated with yellow fever vaccine YF-17D. Vaccination induced genes that regulate virus innate sensing and type I interferon production. Computational analyses identified a gene signature, including complement protein C1qB and eukaryotic translation initiation factor 2 alpha kinase 4—an orchestrator of the integrated stress response—that correlated with and predicted YF-17D CD8+ T cell responses with up to 90% accuracy in an independent, blinded trial. A distinct signature, including B cell growth factor TNFRS17, predicted the neutralizing antibody response with up to 100% accuracy. These data highlight the utility of systems biology approaches in predicting vaccine efficacy.

The recognition of mycobacterial cell wall components causes macrophages to secrete tumor necrosis factor α (TNF-α) and other cytokines that are essential for the development of a protective inflammatory response. We show that toll-like receptors are required for the induction of TNF-α in macrophages by Mycobacterium tuberculosis . Expression of a dominant negative form of MyD88 (a signaling component required for toll-like receptor signaling) in a mouse macrophage cell line blocks TNF-α production induced by M. tuberculosis . We identify toll-like receptor-2 (TLR2) as the specific toll-like receptor required for this induction by showing that expression of an inhibitory TLR2 (TLR2-P681H) blocks TNF-α production induced by whole M. tuberculosis . Further, we show that TLR2-dependent signaling mediates responses to mycobacterial cell wall fractions enriched for lipoarrabinomannan, mycolylarabinogalactan–peptidoglycan complex, or M. tuberculosis total lipids. Thus, although many mycobacterial cell wall fractions are identified to be inflammatory, all require TLR2 for induction of TNF-α in macrophages. These data suggest that TLR2 is essential for the induction of a protective immune response to mycobacteria.

The specificity of interferon effectors across an expanded range of viruses is studied, with results indicating that positive-sense single-stranded RNA viruses are more susceptible to interferon-stimulated gene activity than negative-sense RNA or DNA viruses; in addition, the DNA sensor cGAS is shown to have an unappreciated role in RNA virus inhibition. This study reports the use of cell culture models to scan an extensive interferon-stimulated gene (ISG) library for activity against a broad spectrum of viruses. The scan reveals that positive-sense single-stranded (ss)RNA viruses are more susceptible to ISG activities than negative-sense ssRNA viruses or a DNA virus. The DNA sensor cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) is shown to inhibit several RNA viruses. The authors also generated cGAS knockout mice and showed an in vivo requirement for cGAS in antiviral responses. The type I interferon (IFN) response protects cells from viral infection by inducing hundreds of interferon-stimulated genes (ISGs), some of which encode direct antiviral effectors1,2,3. Recent screening studies have begun to catalogue ISGs with antiviral activity against several RNA and DNA viruses4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. However, antiviral ISG specificity across multiple distinct classes of viruses remains largely unexplored. Here we used an ectopic expression assay to screen a library of more than 350 human ISGs for effects on 14 viruses representing 7 families and 11 genera. We show that 47 genes inhibit one or more viruses, and 25 genes enhance virus infectivity. Comparative analysis reveals that the screened ISGs target positive-sense single-stranded RNA viruses more effectively than negative-sense single-stranded RNA viruses. Gene clustering highlights the cytosolic DNA sensor cyclic GMP-AMP synthase (cGAS, also known as MB21D1) as a gene whose expression also broadly inhibits several RNA viruses. In vitro, lentiviral delivery of enzymatically active cGAS triggers a STING-dependent, IRF3-mediated antiviral program that functions independently of canonical IFN/STAT1 signalling. In vivo, genetic ablation of murine cGAS reveals its requirement in the antiviral response to two DNA viruses, and an unappreciated contribution to the innate control of an RNA virus. These studies uncover new paradigms for the preferential specificity of IFN-mediated antiviral pathways spanning several virus families.