Summary

 Trained innate immunity fosters a sustained favorable response of myeloid cells to a secondary challenge, despite their short lifespan in circulation. We thus hypothesized that trained immunity acts via modulation of hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). Administration of β-glucan (prototypical trained-immunity-inducing agonist) to mice induced expansion of progenitors of the myeloid lineage, which was associated with elevated signaling by innate immune mediators, such as IL-1β and granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF), and with adaptations in glucose metabolism and cholesterol biosynthesis. The trained-immunity-related increase in myelopoiesis resulted in a beneficial response to secondary LPS challenge and protection from chemotherapy-induced myelosuppression in mice. Therefore, modulation of myeloid progenitors in the bone marrow is an integral component of trained immunity, which to date, was considered to involve functional changes of mature myeloid cells in the periphery.

Innate immune cells can develop long-term memory after stimulation by microbial products during infections or vaccinations. Here, we report that metabolic signals can induce trained immunity. Pharmacological and genetic experiments reveal that activation of the cholesterol synthesis pathway, but not the synthesis of cholesterol itself, is essential for training of myeloid cells. Rather, the metabolite mevalonate is the mediator of training via activation of IGF1-R and mTOR and subsequent histone modifications in inflammatory pathways. Statins, which block mevalonate generation, prevent trained immunity induction. Furthermore, monocytes of patients with hyper immunoglobulin D syndrome (HIDS), who are mevalonate kinase deficient and accumulate mevalonate, have a constitutive trained immunity phenotype at both immunological and epigenetic levels, which could explain the attacks of sterile inflammation that these patients experience. Unraveling the role of mevalonate in trained immunity contributes to our understanding of the pathophysiology of HIDS and identifies novel therapeutic targets for clinical conditions with excessive activation of trained immunity.

The pattern recognition receptor, RAGE (receptor for advanced glycation endproducts), propagates cellular dysfunction in several inflammatory disorders and diabetes. Here we show that RAGE functions as an endothelial adhesion receptor promoting leukocyte recruitment. In an animal model of thioglycollate-induced acute peritonitis, leukocyte recruitment was significantly impaired in RAGE-deficient mice as opposed to wild-type mice. In diabetic wild-type mice we observed enhanced leukocyte recruitment to the inflamed peritoneum as compared with nondiabetic wild-type mice; this phenomenon was attributed to RAGE as it was abrogated in the presence of soluble RAGE and was absent in diabetic RAGE-deficient mice. In vitro, RAGE-dependent leukocyte adhesion to endothelial cells was mediated by a direct interaction of RAGE with the β2-integrin Mac-1 and, to a lower extent, with p150,95 but not with LFA-1 or with β1-integrins. The RAGE–Mac-1 interaction was augmented by the proinflammatory RAGE-ligand, S100-protein. These results were corroborated by analysis of cells transfected with different heterodimeric β2-integrins, by using RAGE-transfected cells, and by using purified proteins. The RAGE–Mac-1 interaction defines a novel pathway of leukocyte recruitment relevant in inflammatory disorders associated with increased RAGE expression, such as in diabetes, and could provide the basis for the development of novel therapeutic applications.

Neutrophils migrate into tissues as innate immune responders. Nourshargh and colleagues demonstrate that neutrophils can migrate in the reverse direction in vivo under inflammatory conditions and may contribute to the dissemination of systemic inflammation. The migration of neutrophils into inflamed tissues is a fundamental component of innate immunity. A decisive step in this process is the polarized migration of blood neutrophils through endothelial cells (ECs) lining the venular lumen (transendothelial migration (TEM)) in a luminal-to-abluminal direction. By real-time confocal imaging, we found that neutrophils had disrupted polarized TEM ('hesitant' and 'reverse') in vivo. We noted these events in inflammation after ischemia-reperfusion injury, characterized by lower expression of junctional adhesion molecule C (JAM-C) at EC junctions, and they were enhanced by blockade or genetic deletion of JAM-C in ECs. Our results identify JAM-C as a key regulator of polarized neutrophil TEM in vivo and suggest that reverse TEM of neutrophils can contribute to the dissemination of systemic inflammation.

The recently described junctional adhesion molecules (JAMs) in man and mice are involved in homotypic and heterotypic intercellular interactions. Here, a third member of this family, human JAM-3, was identified and described as a novel counterreceptor on platelets for the leukocyte β2-integrin Mac-1 (αMβ2, CD11b/CD18). With the help of two monoclonal antibodies, Gi11 and Gi13, against a 43-kD surface glycoprotein on human platelets, a full-length cDNA encoding JAM-3 was identified. JAM-3 is a type I transmembrane glycoprotein containing two Ig-like domains. Although JAM-3 did not undergo homophilic interactions, myelo-monocytic cells adhered to immobilized JAM-3 or to JAM-3–transfected cells. This heterophilic interaction was specifically attributed to a direct interaction of JAM-3 with the β2-integrin Mac-1 and to a lower extent with p150.95 (αXβ2, CD11c/CD18) but not with LFA-1 (αLβ2, CD11a/CD18) or with β1-integrins. These results were corroborated by analysis of K562 erythroleukemic cells transfected with different heterodimeric β2-integrins and by using purified proteins. Moreover, purified JAM-3 or antibodies against JAM-3 blocked the platelet-neutrophil interaction, indicating that platelet JAM-3 serves as a counterreceptor for Mac-1 mediating leukocyte–platelet interactions. JAM-3 thereby provides a novel molecular target for antagonizing interactions between vascular cells that promote inflammatory vascular pathologies such as in atherothrombosis.

Periodontitis is associated with aging and more neutrophil-mediated tissue pathology. Hajishengallis and colleagues show an inverse correlation between interleukin 17 expression and Del-1 expression in gingival tissues, with Del-1 protecting tissues from neutrophil infiltration. Aging is linked to greater susceptibility to chronic inflammatory diseases, several of which, including periodontitis, involve neutrophil-mediated tissue injury. Here we found that aging-associated periodontitis was accompanied by lower expression of Del-1, an endogenous inhibitor of neutrophil adhesion dependent on the integrin LFA-1, and by reciprocal higher expression of interleukin 17 (IL-17). Consistent with that, IL-17 inhibited gingival endothelial cell expression of Del-1, thereby promoting LFA-1-dependent recruitment of neutrophils. Young Del-1-deficient mice developed spontaneous periodontitis that featured excessive neutrophil infiltration and IL-17 expression; disease was prevented in mice doubly deficient in Del-1 and LFA-1 or in Del-1 and the IL-17 receptor. Locally administered Del-1 inhibited IL-17 production, neutrophil accumulation and bone loss. Therefore, Del-1 suppressed LFA-1-dependent recruitment of neutrophils and IL-17-triggered inflammatory pathology and may thus be a promising therapeutic agent for inflammatory diseases.

The similarities and differences between trained immunity and other immune processes are the subject of intense interrogation. Therefore, a consensus on the definition of trained immunity in both in vitro and in vivo settings, as well as in experimental models and human subjects, is necessary for advancing this field of research. Here we aim to establish a common framework that describes the experimental standards for defining trained immunity.

Trained innate immunity, induced via modulation of mature myeloid cells or their bone marrow progenitors, mediates sustained increased responsiveness to secondary challenges. Here, we investigated whether anti-tumor immunity can be enhanced through induction of trained immunity. Pre-treatment of mice with β-glucan, a fungal-derived prototypical agonist of trained immunity, resulted in diminished tumor growth. The anti-tumor effect of β-glucan-induced trained immunity was associated with transcriptomic and epigenetic rewiring of granulopoiesis and neutrophil reprogramming toward an anti-tumor phenotype; this process required type I interferon signaling irrespective of adaptive immunity in the host. Adoptive transfer of neutrophils from β-glucan-trained mice to naive recipients suppressed tumor growth in the latter in a ROS-dependent manner. Moreover, the anti-tumor effect of β-glucan-induced trained granulopoiesis was transmissible by bone marrow transplantation to recipient naive mice. Our findings identify a novel and therapeutically relevant anti-tumor facet of trained immunity involving appropriate rewiring of granulopoiesis.