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.

Abstract Interferon gamma (IFNγ) restricts the intracellular replication of many pathogens, but how IFNγ confers cell-intrinsic pathogen resistance remains unclear. For example, intracellular replication of the bacterial pathogen Legionella pneumophila in macrophages is potently curtailed by IFNγ, but consistent with prior results, no individual genetic deficiency we tested compromised IFNγ-mediated control. Intriguingly, however, we observed that the glycolysis inhibitor 2-deoxyglucose (2DG) partially rescued L. pneumophila replication in IFNγ-treated macrophages. 2DG inhibits glycolysis and triggers the unfolded protein response, but unexpectedly, it appears these effects are not responsible for perturbing the antimicrobial activity of IFNγ. Instead, we found that 2DG rescues bacterial replication predominantly by inhibiting the induction of two key antimicrobial factors, inducible nitric oxide synthase (iNOS) and immune responsive gene 1 (IRG1). Using immortalized and primary macrophages deficient in iNOS and IRG1, we confirm that loss of both iNOS and IRG1, but not individual deficiency in each gene, partially reduces IFNγ-mediated restriction of L. pneumophila . Further, using a combinatorial CRISPR/Cas9 mutagenesis approach, we find that mutation of iNOS and IRG1 in combination with four other genes (CASP11, IRGM1, IRGM3 and NOX2) results in a total loss of L. pneumophila restriction by IFNγ in primary bone marrow macrophages. There are few, if any, other examples in which the complete set of cell-intrinsic factors required for IFNγ-mediated restriction of an intracellular bacterial pathogen have been genetically identified. Our results highlight the combinatorial strategy used by hosts to block the exploitation of macrophages by pathogens. Importance Legionella pneumophila is one example among many species of pathogenic bacteria that replicate within mammalian macrophages during infection. The immune signaling factor interferon gamma (IFNγ) blocks L. pneumophila replication in macrophages and is an essential component of the immune response to L. pneumophila and other intracellular pathogens. However, to date, no study has determined the exact molecular factors induced by IFNγ that are required for its activity. We generated macrophages lacking different combinations of IFNγ-induced genes in an attempt to find a genetic background in which there is a complete loss of IFNγ-mediated restriction of L. pneumophila . We successfully identified six genes that comprise the totality of the IFNγ-dependent restriction of L. pneumophila replication in macrophages. Our results clarify the molecular basis underlying the potent effects of IFNγ and highlight how redundancy downstream of IFNγ is key to prevent exploitation of the macrophage niche by pathogens.

The bacterium Mycobacterium tuberculosis (Mtb) causes tuberculosis (TB) and is responsible for more human mortality than any other single pathogen. Although ~1.7 billion people are infected with Mtb, most infections are asymptomatic. Progression to active disease occurs in ~10% of infected individuals and is predicted by an elevated type I interferon (IFN) response. Type I IFNs are vital for antiviral immunity, but whether or how they mediate susceptibility to Mtb has been difficult to study, in part because the standard C57BL/6 (B6) mouse model does not recapitulate the IFN-driven disease that appears to occur in humans. Here we examined B6.Sst1S congenic mice that carry the C3H sensitive allele of the Sst1 locus that renders them highly susceptible to Mtb infections. We found that B6.Sst1S mice exhibit markedly increased type I IFN signaling, and that type I IFNs were required for the enhanced susceptibility of B6.Sst1S mice to Mtb. Type I IFNs affect the expression of hundreds of genes, several of which have previously been implicated in susceptibility to bacterial infections. Nevertheless, we found that heterozygous deficiency in just a single IFN target gene, IL-1 receptor antagonist (IL-1Ra), is sufficient to reverse IFN-driven susceptibility to Mtb. As even a partial reduction in IL-1Ra levels led to significant protection, we hypothesized that IL-1Ra may be a plausible target for host-directed anti-TB therapy. Indeed, antibody-mediated neutralization of IL-1Ra provided therapeutic benefit to Mtb-infected B6.Sst1S mice. Our results illustrate how the diversity of inbred mouse strains can be exploited to better model human TB, and demonstrate that IL-1Ra is an important mediator of type I IFN-driven susceptibility to Mtb infections in vivo.

Type I interferons (IFNs) are essential for anti-viral immunity, but often impair protective immune responses during bacterial infections. How type I IFNs are strongly induced during viral infections, and yet are appropriately restrained during bacterial infections, remains poorly understood. The Super susceptibility to tuberculosis 1 ( Sst1 ) locus in mice affects resistance to many bacterial infections. Here we provide evidence that Sp140 is a gene encoded within the Sst1 locus that functions to repress the expression of type I IFNs during bacterial infections. We generated Sp140 -/- mice and find they are susceptible to infection by diverse bacteria, including Listeria monocytogenes , Legionella pneumophila , and Mycobacterium tuberculosis . Susceptibility of Sp140 -/- mice to bacterial infection was rescued by crosses to mice lacking the type I IFN receptor ( Ifnar -/-). Our results implicate Sp140 as an important repressor of type I IFNs that is essential for resistance to bacterial infections.

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) causes 1.6 million deaths a year. However, no individual mouse model fully recapitulates the hallmarks of human tuberculosis disease. Here we report that a comparison across three different susceptible mouse models identifies Mtb-induced gene signatures that predict active TB disease in humans significantly better than a signature from the standard C57BL/6 mouse model. An increase in lung myeloid cells, including neutrophils, was conserved across the susceptible mouse models, mimicking the neutrophilic inflammation observed in humans. Myeloid cells in the susceptible models and non-human primates exhibited high expression of immunosuppressive molecules including the IL-1 receptor antagonist, which inhibits IL-1 signaling. Prior reports have suggested that excessive IL-1 signaling impairs Mtb control. By contrast, we found that enhancement of IL-1 signaling via deletion of IL-1 receptor antagonist promoted bacterial control in all three susceptible mouse models. IL-1 signaling enhanced cytokine production by lymphoid and stromal cells, suggesting a mechanism for IL-1 signaling in promoting Mtb control. Thus, we propose that myeloid cell expression of immunosuppressive molecules is a conserved mechanism exacerbating Mtb disease in mice, non-human primates, and humans.