A study in atherosclerosis-prone (apolipoprotein E-deficient) mice on a high cholesterol diet shows that small cholesterol crystals appear in the earliest stages of atherogenesis, and that these crystals can activate the NLRP3 inflammasome in phagocytes. This suggests that therapeutic strategies that reduce cholesterol crystal deposition or block the inflammasome pathway may have anti-atherosclerotic activity. During atherosclerosis, crystals of cholesterol accumulate in atherosclerotic plaques. But are they a consequence or a cause of the inflammation associated with the disease? Here it is shown that small cholesterol crystals appear early in the development of atherosclerosis, and that they act as an endogenous danger signal, causing inflammation by activating the NLRP3 inflammasome pathway. Cholesterol crystals thus seem to be an early cause, rather than a late consequence, of inflammation. The inflammatory nature of atherosclerosis is well established but the agent(s) that incite inflammation in the artery wall remain largely unknown. Germ-free animals are susceptible to atherosclerosis, suggesting that endogenous substances initiate the inflammation1. Mature atherosclerotic lesions contain macroscopic deposits of cholesterol crystals in the necrotic core, but their appearance late in atherogenesis had been thought to disqualify them as primary inflammatory stimuli. However, using a new microscopic technique, we revealed that minute cholesterol crystals are present in early diet-induced atherosclerotic lesions and that their appearance in mice coincides with the first appearance of inflammatory cells. Other crystalline substances can induce inflammation by stimulating the caspase-1-activating NLRP3 (NALP3 or cryopyrin) inflammasome2,3, which results in cleavage and secretion of interleukin (IL)-1 family cytokines. Here we show that cholesterol crystals activate the NLRP3 inflammasome in phagocytes in vitro in a process that involves phagolysosomal damage. Similarly, when injected intraperitoneally, cholesterol crystals induce acute inflammation, which is impaired in mice deficient in components of the NLRP3 inflammasome, cathepsin B, cathepsin L or IL-1 molecules. Moreover, when mice deficient in low-density lipoprotein receptor (LDLR) were bone-marrow transplanted with NLRP3-deficient, ASC (also known as PYCARD)-deficient or IL-1α/β-deficient bone marrow and fed on a high-cholesterol diet, they had markedly decreased early atherosclerosis and inflammasome-dependent IL-18 levels. Minimally modified LDL can lead to cholesterol crystallization concomitant with NLRP3 inflammasome priming and activation in macrophages. Although there is the possibility that oxidized LDL activates the NLRP3 inflammasome in vivo, our results demonstrate that crystalline cholesterol acts as an endogenous danger signal and its deposition in arteries or elsewhere is an early cause rather than a late consequence of inflammation. These findings provide new insights into the pathogenesis of atherosclerosis and indicate new potential molecular targets for the therapy of this disease.

Activation of the NALP3 inflammasome induces interleukin 1β production and inflammation. Latz and colleagues show that silica uptake followed by lysosome disruption and cathepsin B release activates the NALP3 inflammasome. Inhalation of silica crystals causes inflammation in the alveolar space. Prolonged exposure to silica can lead to the development of silicosis, an irreversible, fibrotic pulmonary disease. The mechanisms by which silica and other crystals activate immune cells are not well understood. Here we demonstrate that silica and aluminum salt crystals activated inflammasomes formed by the cytoplasmic receptor NALP3. NALP3 activation required phagocytosis of crystals, and this uptake subsequently led to lysosomal damage and rupture. 'Sterile' lysosomal damage (without crystals) also induced NALP3 activation, and inhibition of either phagosomal acidification or cathepsin B activity impaired NALP3 activation. Our results indicate that the NALP3 inflammasome senses lysosomal damage as an endogenous 'danger' signal.

Autophagy is a physiological process that involves the engulfment and degradation of organelles. Choi and colleagues demonstrate that autophagy is important for the removal of damaged mitochondria and thus the control of inflammation. Autophagy, a cellular process for organelle and protein turnover, regulates innate immune responses. Here we demonstrate that depletion of the autophagic proteins LC3B and beclin 1 enhanced the activation of caspase-1 and secretion of interleukin 1β (IL-1β) and IL-18. Depletion of autophagic proteins promoted the accumulation of dysfunctional mitochondria and cytosolic translocation of mitochondrial DNA (mtDNA) in response to lipopolysaccharide (LPS) and ATP in macrophages. Release of mtDNA into the cytosol depended on the NALP3 inflammasome and mitochondrial reactive oxygen species (ROS). Cytosolic mtDNA contributed to the secretion of IL-1β and IL-18 in response to LPS and ATP. LC3B-deficient mice produced more caspase-1-dependent cytokines in two sepsis models and were susceptible to LPS-induced mortality. Our study suggests that autophagic proteins regulate NALP3-dependent inflammation by preserving mitochondrial integrity.

Abstract The IL-1 family cytokines are regulated on transcriptional and posttranscriptional levels. Pattern recognition and cytokine receptors control pro-IL-1β transcription whereas inflammasomes regulate the proteolytic processing of pro-IL-1β. The NLRP3 inflammasome, however, assembles in response to extracellular ATP, pore-forming toxins, or crystals only in the presence of proinflammatory stimuli. How the activation of gene transcription by signaling receptors enables NLRP3 activation remains elusive and controversial. In this study, we show that cell priming through multiple signaling receptors induces NLRP3 expression, which we identified to be a critical checkpoint for NLRP3 activation. Signals provided by NF-κB activators are necessary but not sufficient for NLRP3 activation, and a second stimulus such as ATP or crystal-induced damage is required for NLRP3 activation.

Cytoplasmic DNA is an important trigger for the innate immune system. The downstream signalling pathways involved in this process have been extensively characterized, but much less is known about the initial step, the recognition of the DNA. Two groups reporting in this issue of Nature have now identified AIM2 (absent in melanoma 2), a member of the interferon-inducible HIN-200 family, as a cytoplasmic DNA sensor. In the presence of DNA, AIM2 oligermerizes and associates with the adapter molecule ASC to activate NF-κB and caspase-1, key components of the inflammasome complex. This highlights the AIM2 inflammasome as a possible target for the treatment of both infections and autoimmune diseases. This paper shows that the protein AIM2 (absent in melanoma 2) is a receptor of cytoplasmic DNA and the double-stranded DNA vaccinia virus, and is a component of the inflammasome pathway for caspase-1 activation. The innate immune system senses nucleic acids by germline-encoded pattern recognition receptors. RNA is sensed by Toll-like receptor members TLR3, TLR7 and TLR8, or by the RNA helicases RIG-I (also known as DDX58 ) and MDA-5 (IFIH1)1. Little is known about sensors for cytoplasmic DNA that trigger antiviral and/or inflammatory responses2,3,4,5,6. The best characterized of these responses involves activation of the TANK-binding kinase (TBK1)–interferon regulatory factor 3 (IRF3) signalling axis to trigger transcriptional induction of type I interferon genes2,3. A second, less well-defined pathway leads to the activation of an ‘inflammasome’ that, via caspase-1, controls the catalytic cleavage of the pro-forms of the cytokines IL1β and IL18 (refs 6, 7). Using mouse and human cells, here we identify the PYHIN (pyrin and HIN domain-containing protein)8 family member absent in melanoma 2 (AIM2) as a receptor for cytosolic DNA, which regulates caspase-1. The HIN200 domain of AIM2 binds to DNA, whereas the pyrin domain (but not that of the other PYHIN family members) associates with the adaptor molecule ASC (apoptosis-associated speck-like protein containing a caspase activation and recruitment domain) to activate both NF-κB and caspase-1. Knockdown of Aim2 abrogates caspase-1 activation in response to cytoplasmic double-stranded DNA and the double-stranded DNA vaccinia virus. Collectively, these observations identify AIM2 as a new receptor for cytoplasmic DNA, which forms an inflammasome with the ligand and ASC to activate caspase-1.

The events leading to the inflammation and tissue damage associated with Alzheimer's disease are unclear. Golenbock and colleagues now show that amyloid-β activates the NALP3 inflammasome, which triggers the release of proinflammatory and neurotoxic factors. The fibrillar peptide amyloid-β (Aβ) has a chief function in the pathogenesis of Alzheimer's disease. Interleukin 1β (IL-1β) is a key cytokine in the inflammatory response to Aβ. Insoluble materials such as crystals activate the inflammasome formed by the cytoplasmic receptor NALP3, which results in the release of IL-1β. Here we identify the NALP3 inflammasome as a sensor of Aβ in a process involving the phagocytosis of Aβ and subsequent lysosomal damage and release of cathepsin B. Furthermore, the IL-1β pathway was essential for the microglial synthesis of proinflammatory and neurotoxic factors, and the inflammasome, caspase-1 and IL-1β were critical for the recruitment of microglia to exogenous Aβ in the brain. Our findings suggest that activation of the NALP3 inflammasome is important for inflammation and tissue damage in Alzheimer's disease.

We report that in the presence of signal 1 (NF-κB), the NLRP3 inflammasome was activated by mitochondrial apoptotic signaling that licensed production of interleukin-1β (IL-1β). NLRP3 secondary signal activators such as ATP induced mitochondrial dysfunction and apoptosis, resulting in release of oxidized mitochondrial DNA (mtDNA) into the cytosol, where it bound to and activated the NLRP3 inflammasome. The antiapoptotic protein Bcl-2 inversely regulated mitochondrial dysfunction and NLRP3 inflammasome activation. Mitochondrial DNA directly induced NLRP3 inflammasome activation, because macrophages lacking mtDNA had severely attenuated IL-1β production, yet still underwent apoptosis. Both binding of oxidized mtDNA to the NLRP3 inflammasome and IL-1β secretion could be competitively inhibited by the oxidized nucleoside 8-OH-dG. Thus, our data reveal that oxidized mtDNA released during programmed cell death causes activation of the NLRP3 inflammasome. These results provide a missing link between apoptosis and inflammasome activation, via binding of cytosolic oxidized mtDNA to the NLRP3 inflammasome.

The detection of intracellular microbial DNA is critical to appropriate innate immune responses; however, knowledge of how such DNA is sensed is limited. Here we identify IFI16, a PYHIN protein, as an intracellular DNA sensor that mediates the induction of interferon-β (IFN-β). IFI16 directly associated with IFN-β-inducing viral DNA motifs. STING, a critical mediator of IFN-β responses to DNA, was recruited to IFI16 after DNA stimulation. Lowering the expression of IFI16 or its mouse ortholog p204 by RNA-mediated interference inhibited gene induction and activation of the transcription factors IRF3 and NF-κB induced by DNA and herpes simplex virus type 1 (HSV-1). IFI16 (p204) is the first PYHIN protein to our knowledge shown to be involved in IFN-β induction. Thus, the PYHIN proteins IFI16 and AIM2 form a new family of innate DNA sensors we call 'AIM2-like receptors' (ALRs).