Intestinal epithelial cells (IECs) form a critical barrier against pathogen invasion. By generation of mice in which inflammasome expression is restricted to IECs, we describe a coordinated epithelium-intrinsic inflammasome response in vivo. This response was sufficient to protect against Salmonella tissue invasion and involved a previously reported IEC expulsion that was coordinated with lipid mediator and cytokine production and lytic IEC death. Excessive inflammasome activation in IECs was sufficient to result in diarrhea and pathology. Experiments with IEC organoids demonstrated that IEC expulsion did not require other cell types. IEC expulsion was accompanied by a major actin rearrangement in neighboring cells that maintained epithelium integrity but did not absolutely require Caspase-1 or Gasdermin D. Analysis of Casp1-/-Casp8-/- mice revealed a functional Caspase-8 inflammasome in vivo. Thus, a coordinated IEC-intrinsic, Caspase-1 and -8 inflammasome response plays a key role in intestinal immune defense and pathology.

Toll-like receptor signaling and subsequent activation of NF-κB- and MAPK-dependent genes during infection play an important role in antimicrobial host defense. The YopJ protein of pathogenic Yersinia species inhibits NF-κB and MAPK signaling, resulting in blockade of NF-κB-dependent cytokine production and target cell death. Nevertheless, Yersinia infection induces inflammatory responses in vivo. Moreover, increasing the extent of YopJ-dependent cytotoxicity induced by Yersinia pestis and Yersinia pseudotuberculosis paradoxically leads to decreased virulence in vivo, suggesting that cell death promotes anti-Yersinia host defense. However, the specific pathways responsible for YopJ-induced cell death and how this cell death mediates immune defense against Yersinia remain poorly defined. YopJ activity induces processing of multiple caspases, including caspase-1, independently of inflammasome components or the adaptor protein ASC. Unexpectedly, caspase-1 activation in response to the activity of YopJ required caspase-8, receptor-interacting serine/threonine kinase 1 (RIPK1), and Fas-associated death domain (FADD), but not RIPK3. Furthermore, whereas RIPK3 deficiency did not affect YopJ-induced cell death or caspase-1 activation, deficiency of both RIPK3 and caspase-8 or FADD completely abrogated Yersinia-induced cell death and caspase-1 activation. Mice lacking RIPK3 and caspase-8 in their hematopoietic compartment showed extreme susceptibility to Yersinia and were deficient in monocyte and neutrophil-derived production of proinflammatory cytokines. Our data demonstrate for the first time to our knowledge that RIPK1, FADD, and caspase-8 are required for YopJ-induced cell death and caspase-1 activation and suggest that caspase-8-mediated cell death overrides blockade of immune signaling by YopJ to promote anti-Yersinia immune defense.

The intestine is a site of direct encounter with the external environment and must consequently balance barrier defense with nutrient uptake. To investigate how nutrient uptake is regulated in the small intestine, we tested the effect of diets with different macronutrient compositions on epithelial gene expression. We found that enzymes and transporters required for carbohydrate digestion and absorption were regulated by carbohydrate availability. The "on-demand" induction of this machinery required γδ T cells, which regulated this program through the suppression of interleukin-22 production by type 3 innate lymphoid cells. Nutrient availability altered the tissue localization and transcriptome of γδ T cells. Additionally, transcriptional responses to diet involved cellular remodeling of the epithelial compartment. Thus, this work identifies a role for γδ T cells in nutrient sensing.

Abstract Animal tissues are comprised of diverse cell types. However, the mechanisms controlling the number of each cell type within tissue compartments remain poorly understood. Here, we report that different cell types utilize distinct strategies to control population numbers. Proliferation of fibroblasts, stromal cells important for tissue integrity, is limited by space availability. In contrast, proliferation of macrophages, innate immune cells involved in defense, repair, and homeostasis, is constrained by growth factor availability. Examination of density-dependent gene expression in fibroblasts revealed that Hippo and TGF- β target genes are both regulated by cell density. We found YAP1, the transcriptional co-activator of the Hippo signaling pathway, directly regulates expression of Csf1 , the lineage-specific growth factor for macrophages, through an enhancer of Csf1 that is specifically active in fibroblasts. Activation of YAP1 in fibroblasts elevates Csf1 expression and is sufficient to increase the number of macrophages at steady state. Our data also suggest that expression programs in fibroblasts that change with density may result from sensing of mechanical force through actin-dependent mechanisms. Altogether, we demonstrate that two different modes of population control are connected and coordinated to regulate cell numbers of distinct cell types. Sensing of the tissue environment may serve as a general strategy to control tissue composition. Significance Statement Collections of distinct cell types constitute animal tissues. To perform their unique functions, each cell type must exist in the correct number and proportion in a given tissue compartment. However, many of the mechanisms regulating and coordinating cell population sizes remain enigmatic. Our study characterizes two different modes of population size control, utilized by two ubiquitous cell types, macrophages and fibroblasts. Macrophage populations are more sensitive to the presence of growth factors in the environment and fibroblasts are more sensitive to space limitations. Intriguingly, space-sensing mechanisms in fibroblasts directly control the production of growth factor for macrophages and thus macrophage numbers. This link suggests a mechanism by which macrophage compartment size is controlled by stromal cells according to the microenvironment.

Abstract Cell death plays a critical role in inflammatory responses. During pyroptosis, inflammatory caspases cleave Gasdermin D (GSDMD) to release an N-terminal fragment that generates plasma membrane pores that mediate cell lysis and IL-1 cytokine release. Terminal cell lysis and IL-1β release following caspase activation can be uncoupled in certain cell types or in response to particular stimuli, a state termed hyperactivation. However, the factors and mechanisms that regulate terminal cell lysis downstream of GSDMD cleavage remain poorly understood. In the course of studies to define regulation of pyroptosis during Yersinia infection, we identified a line of Card19 -deficient mice ( Card19 lxcn ) whose macrophages were protected from cell lysis and showed reduced apoptosis and pyroptosis, yet had wild-type levels of caspase activation, IL-1 secretion, and GSDMD cleavage. Unexpectedly, CARD19, a mitochondrial CARD-containing protein, was not directly responsible for this, as two independently-generated CRISPR/Cas9 Card19 knockout mice showed no defect in macrophage cell lysis, and expression of CARD19 in Card19 lxcn macrophages did not restore cell lysis. Card19 is located on chromosome 13, adjacent to Ninj1 , which was recently reported to regulate cell lysis downstream of GSDMD activation. Intriguingly, RNA-seq and western blotting revealed that Card19 lxcn BMDMs are hypomorphic for NINJ1 expression, and reconstitution of Ninj1 in Card19 lxcn immortalized BMDMs restored cell lysis. Card19 lxcn mice exhibited significantly increased susceptibility to Yersinia infection, demonstrating that cell lysis itself plays a key role in protection against bacterial infection. Our findings identify genetic targeting of Card19 being responsible for off-target effects on the adjacent Ninj1 gene, thereby disrupting the ability of macrophages to undergo plasma membrane rupture downstream of gasdermin cleavage and impacting host survival and bacterial control during Yersinia infection. Author Summary Programmed cell death is critical for regulating tissue homeostasis and host defense against infection. Pyroptosis is an inflammatory form of programmed cell death that couples cell lysis with release of inflammatory cytokines. Cell lysis is triggered by activation of particular intracellular pore forming proteins, but how regulation of cell lysis occurs is not well understood. Genetic targeting of Card19 on chromosome 13 resulted in decreased expression of the adjacent gene, Ninj1 which was recently found to regulate terminal lysis events in response to cell death-inducing stimuli. We found that macrophages from Card19 -deficient mice were resistant to multiple forms of cell death in response to a variety of inflammatory stimuli, including canonical and non-canonical inflammasome activation, as well as triggers of cell-extrinsic apoptosis. Notably, Card19 -deficient mice were more susceptible to Yersinia infection, indicating that cell lysis contributes to control of bacterial infections. Our data provide new insight into the impact of terminal cell lysis on control of bacterial infection and highlight the role of additional factors that regulate lytic cell death downstream of gasdermin cleavage.

Abstract Tissue resident macrophages play important roles in tissue homeostasis and repair. However, how macrophages monitor and maintain tissue integrity is not well understood. The extracellular matrix (ECM) is a key structural and organizational component of all tissues. Here, we find that macrophages sense the mechanical properties of the ECM in order to regulate a specific tissue repair program. We show that macrophage mechanosensing is mediated by cytoskeletal remodeling and can be performed in three-dimensional environments through a non-canonical, integrin-independent mechanism analogous to amoeboid migration. We find that these cytoskeletal dynamics also integrate biochemical signaling by CSF1 and ultimately regulate chromatin accessibility to control the mechanosensitive gene expression program. This study suggests a distinct mode of ECM mechanosensing and growth factor signaling through which macrophages may regulate tissue repair and fibrosis.

While IL-1β is critical for anti-microbial host defense, it is also a key mediator of autoimmune inflammation. Inflammasome activation following pathogenic insults is known to result in IL-1β production. However, the molecular events that produce IL-1β during T cell driven autoimmune diseases remain unclear. Here, we have discovered an inflammasome-independent pathway of IL-1β production that is triggered upon cognate interactions between dendritic cells and effector CD4 T cells. Analogous to inflammasome activation, this T cell-instructed IL-1β also relies on two independent signaling events. TNFα produced by activated CD4 T cells engages TNFR signaling on DCs leading to pro-IL-1β synthesis. Subsequently, FasL, also expressed by effector CD4 T cells, engages Fas on DCs leading to caspase-8 dependent pro-IL-1β cleavage. Remarkably, this two-step mechanism is completely independent of pattern recognition receptor activation. IL-1β produced upon cognate DC-effector CD4 T cell interaction causes wide spread leukocyte infiltration, a hallmark of systemic inflammation as well as autoimmune pathology. This study has uncovered a novel feature of DC-T cell cross-talk that allows for active IL-1β secretion independent of innate sensing pathways and provides a mechanistic explanation for IL-1β production and its downstream consequences in CD4 T cell driven autoimmune pathology.

ABSTRACT Intracerebral hemorrhage (ICH) is a devastating form of stroke with a high mortality rate and few treatment options. Discovery of therapeutic interventions has been slow given the challenges associated with studying acute injury, particularly over time, in the human brain. Inflammation induced by exposure of brain tissue to blood appears to be a major part of brain tissue injury. Here we longitudinally profiled blood and cerebral hematoma effluent from a patient enrolled in the Minimally Invasive Surgery with Thrombolysis in Intracerebral Haemorrhage Evacuation (MISTIEIII) trial, offering a rare window into the local and systemic immune responses to acute brain injury. Using single-cell RNA-sequencing, we characterized the local cellular response during ICH in the brain of a living patient at single-cell resolution for the first time. Our analysis revealed rapid shifts in the activation states of myeloid and T cells in the brain over time, suggesting that leukocyte responses are dynamically reshaped by the hematoma microenvironment. Interestingly, the patient had an asymptomatic re-bleed (second local exposure to blood) that our transcriptional data indicated occurred more than 30 hours prior to detection by CT scan. This case highlights the rapid immune dynamics in the brain after ICH and suggests that sensitive methods like scRNA-seq can inform our understanding of complex intracerebral events.