Innate lymphoid cells (ILCs) are a recently recognized group of lymphocytes that have important functions in protecting epithelial barriers against infections and in maintaining organ homeostasis. ILCs have been categorized into three distinct groups, transcriptional circuitry and effector functions of which strikingly resemble the various T helper cell subsets. Here, we identify a common, Id2-expressing progenitor to all interleukin 7 receptor-expressing, “helper-like” ILC lineages, the CHILP. Interestingly, the CHILP differentiated into ILC2 and ILC3 lineages, but not into conventional natural killer (cNK) cells that have been considered an ILC1 subset. Instead, the CHILP gave rise to a peculiar NKp46+ IL-7Rα+ ILC lineage that required T-bet for specification and was distinct of cNK cells or other ILC lineages. Such ILC1s coproduced high levels of IFN-γ and TNF and protected against infections with the intracellular parasite Toxoplasma gondii. Our data significantly advance our understanding of ILC differentiation and presents evidence for a new ILC lineage that protects barrier surfaces against intracellular infections.

The physiologic importance of autophagy proteins for control of mammalian bacterial and parasitic infection in vivo is unknown. Using mice with granulocyte- and macrophage-specific deletion of the essential autophagy protein Atg5, we show that Atg5 is required for in vivo resistance to the intracellular pathogens Listeria monocytogenes and Toxoplasma gondii. In primary macrophages, Atg5 was required for interferonγ (IFN-γ)/LPS-induced damage to the T. gondii parasitophorous vacuole membrane and parasite clearance. While we did not detect classical hallmarks of autophagy, such as autophagosomes enveloping T. gondii, Atg5 was required for recruitment of IFN-γ-inducible p47 GTPase IIGP1 (Irga6) to the vacuole membrane, an event that mediates IFN-γ-mediated clearance of T. gondii. This work shows that Atg5 expression in phagocytic cells is essential for cellular immunity to intracellular pathogens in vivo, and that an autophagy protein can participate in immunity and intracellular killing of pathogens via autophagosome-independent processes such as GTPase trafficking.

The enteric pathogen Toxoplasma gondii is controlled by a vigorous innate T helper 1 (Th1) cell response in the murine model. We demonstrated that after oral infection, the parasite rapidly recruited inflammatory monocytes [Gr1+ (Ly6C+, Ly6G−) F4/80+CD11b+CD11c−], which established a vital defensive perimeter within the villi of the ileum in the small intestine. Mice deficient of the chemokine receptor CCR2 or the ligand CCL2 failed to recruit Gr1+ inflammatory monocytes, whereas dendritic cells and resident tissue macrophages remained unaltered. The selective lack of Gr1+ inflammatory monocytes resulted in an inability of mice to control replication of the parasite, high influx of neutrophils, extensive intestinal necrosis, and rapid death. Adoptive transfer of sorted Gr1+ inflammatory monocytes demonstrated their ability to home to the ileum in infected animals and protect Ccr2−/− mice, which were otherwise highly susceptible to oral toxoplasmosis. Collectively, these findings illustrate the critical importance of inflammatory monocytes as a first line of defense in controlling intestinal pathogens.

Summary

 Antibiotics, though remarkably useful, can also cause certain adverse effects. We detected that treatment of adult mice with antibiotics decreases hippocampal neurogenesis and memory retention. Reconstitution with normal gut flora (SPF) did not completely reverse the deficits in neurogenesis unless the mice also had access to a running wheel or received probiotics. In parallel to an increase in neurogenesis and memory retention, both SPF-reconstituted mice that ran and mice supplemented with probiotics exhibited higher numbers of Ly6C^hi monocytes in the brain than antibiotic-treated mice. Elimination of Ly6C^hi monocytes by antibody depletion or the use of knockout mice resulted in decreased neurogenesis, whereas adoptive transfer of Ly6C^hi monocytes rescued neurogenesis after antibiotic treatment. We propose that the rescue of neurogenesis and behavior deficits in antibiotic-treated mice by exercise and probiotics is partially mediated by Ly6C^hi monocytes.

Cerebral infections are restrained by a complex interplay of tissue-resident and recruited peripheral immune cells. Whether innate lymphoid cells (ILCs) are involved in the orchestration of the neuroinflammatory dynamics is not fully understood. Here, we demonstrate that ILCs accumulate in the cerebral parenchyma, the choroid plexus, and the meninges in the onset of cerebral Toxoplasma gondii infection. Antibody-mediated depletion of conventional natural killer (cNK) cells and ILC1s in the early stage of infection results in diminished cytokine and chemokine expression and increased cerebral parasite burden. Using cNK- and ILC1-deficient murine models, we demonstrate that exclusively the lack of ILC1s affects cerebral immune responses. In summary, our results provide evidence that ILC1s are an early source of IFN-γ and TNF in response to cerebral T. gondii infection, thereby inducing host defense factors and initiating the development of a neuroinflammatory response.

Abstract Chronic arterial hypertension causes cerebral microvascular dysfunction and doubles dementia risk in aging. However, cognitive health preservation by therapeutic blood pressure lowering alone is limited and depends on disease duration, the degree of irreversible tissue damage and whether microvascular function can be restored. This study aimed to understand molecular and cellular temporo-spatial pathomechanisms in the course of hypertension. We investigated the effects of initial, early chronic and late chronic hypertension in the frontal brain of rats by applying behavioral tests, histopathology, immunofluorescence, FACS, microvascular/neural tissue RNA sequencing as well as 18 F-FDG PET imaging. Chronic hypertension caused frontal brain-specific behavioral deficits. Our results highlight stage-dependent responses to continuous microvascular stress and wounding by hypertension. Early responses included a fast recruitment of activated microglia to the blood vessels, immigration of peripheral immune cells, blood-brain-barrier leakage and an energy-demanding hypermetabolic state. Vascular adaptation mechanisms were observed in later stages and included angiogenesis and vessel wall strengthening by upregulation of cellular adhesion molecules and extracellular matrix. Additionally, we identified late chronic accumulation of Igfbp-5 in the brains of hypertensive rats, which is also a signature of Alzheimer’s dementia and attenuates protective Igf-1 signaling. Our study advances the knowledge of involved pathomechanisms and highlights the stage-dependent nature of hypertensive pathobiology. This groundwork might be helpful for basic and clinical research to identify stage-dependent markers in the human disease course, investigate stage-dependent interventions besides blood pressure lowering and better understand the relationship between poor vascular health and neurodegenerative diseases.

Abstract Human cognitive abilities, and particularly hippocampus-dependent memory performance typically decline with increasing age. Immunosenescence, the age-related disintegration of the immune system, is increasingly coming into the focus of research as a considerable factor contributing to cognitive decline. In the present study, we investigated potential associations between plasma levels of pro- and anti-inflammatory cytokines and learning and memory performance as well as hippocampal anatomy in young and older adults. Plasma concentrations of the inflammation marker CRP as well as the pro-inflammatory cytokines IL-6 and TNF-α and the anti-inflammatory cytokine TGF-β 1 were measured in 142 healthy adults (57 young, 24.47 ± 4.48 years; 85 older, 63.66 ± 7.32 years) who performed tests of explicit memory (Verbal Learning and Memory Test, VLMT; Wechsler Memory Scale, Logical Memory, WMS) with an additional delayed recall test after 24 hours. Hippocampal volumetry and hippocampal subfield segmentation were performed using FreeSurfer, based on T1-weighted and high-resolution T2-weighted MR images. When investigating the relationship between memory performance, hippocampal structure, and plasma cytokine levels, we found that TGF- β 1 concentrations were positively correlated with the volumes of the hippocampal CA4-dentate gyrus region in older adults. These volumes were in turn positively associated with better performance in the WMS, particularly in the delayed memory test. Our results support the notion that endogenous anti-inflammatory mechanisms may act as protective factors in neurocognitive aging.

3. Abstract Influenza A virus (IAV) causes respiratory tract disease and is responsible for seasonal and reoccurring epidemics affecting all age groups. Next to typical disease symptoms such as fever and fatigue, IAV infection has been associated with behavioral alterations presumably contributing to the development of major depression. Previous experiments using IAV/H1N1 infection models have shown impaired hippocampal neuronal morphology and cognitive abilities, but the underlying pathways have not been fully described. In this study, we demonstrate that infection with a low dose non-neurotrophic H1N1 strain of IAV causes ample peripheral immune response followed by a temporary blood-brain-barrier disturbance. Although histological examination did not reveal obvious pathological processes in the brains of IAV-infected mice, detailed multidimensional flow cytometric characterization of immune cells uncovered subtle alterations in the activation status of microglia cells. More specifically, we detected an altered expression pattern of major histocompatibility complex class I and II, CD80, and F4/80 accompanied by elevated mRNA levels of CD36, CD68, C1QA, and C3, suggesting evolved synaptic pruning. To closer evaluate how these profound changes affect synaptic balance, we established a highly sensitive multiplex flow cytometry-based approach called Flow Synaptometry. The introduction of this novel technique enabled us to simultaneously quantify the abundance of pre- and postsynapses from distinct brain regions. Our data reveal a significant reduction of VGLUT1 in excitatory presynaptic terminals in the Cortex and Hippocampus, identifying a subtle dysbalance in glutamatergic synapse transmission upon H1N1 infection in mice. In conclusion, our results highlight the consequences of systemic IAV-triggered inflammation on the central nervous system and the induction and progression of neuronal alterations.

Abstract The LTβR plays an essential role in the initiation of immune responses to intracellular pathogens. In mice, the LTβR is crucial for surviving acute toxoplasmosis, however, up to now a functional analysis is largely incomplete. Here, we demonstrate that the LTβR is a key regulator required for the intricate balance of adaptive immune responses. T. gondii infected LTβR −/− mice show globally altered IFNγ regulation, reduced IFNγ-controlled host effector molecule expression, impaired T cell functionality and an absent anti-parasite specific IgG response resulting in a severe loss of immune control of the parasites. Reconstitution of LTβR −/− mice with toxoplasma immune serum significantly prolongs the survival following T. gondii infection. Notably, analysis of RNAseq data clearly indicates a specific effect of T. gondii infection on the B cell response and isotype switching. This study unfolds the decisive role of the LTβR in cytokine regulation and adaptive immune responses to control T. gondii .

Abstract Antibiotics are widely applied for the treatment of bacterial infections, but their long-term use may lead to gut flora dysbiosis and detrimental effects on brain physiology, behavior as well as cognitive performance. Still, a striking lack of knowledge exists concerning electrophysiological correlates of antibiotic-induced changes in gut microbiota and behavior. Here, we investigated changes in the synaptic transmission and plasticity together with behaviorally-relevant network activities from the hippocampus of antibiotic-treated mice. The prolonged antibiotic treatment led to a strong reduction of myeloid cell pools in bone marrow, circulation and those surveilling the brain. Upon antibiotic treatment, circulating Ly6C hi inflammatory monocytes adopted a proinflammatory phenotype with increased expression of CD40 and MHC II. In the central nervous system, microglia displayed typical signs of activation with elevated CD40 and MHC II expression, as well as increased IL-6 and TNF production. Concomitantly, we detected a substantial reduction in the synaptic transmission in the hippocampal CA1 after antibiotic treatment. In line, carbachol-induced cholinergic gamma oscillation were reduced upon antibiotic treatment while the incidence of hippocampal sharp waves was elevated. These changes were associated with the global changes in the expression of neurotrophin nerve growth factor and inducible nitric oxide synthase, both of which have been shown to influence cholinergic functions. Overall, our study demonstrates that antibiotic-induced changes in the gut microbiome and immune cell function are associated with a drastic reduction in the synaptic transmission and gamma oscillations in the hippocampus, a brain region that is critically involved in mediation of innate and cognitive behavior.