The tuberculosis vaccine bacillus Calmette-Guérin (BCG) has heterologous beneficial effects against non-related infections. The basis of these effects has been poorly explored in humans. In a randomized placebo-controlled human challenge study, we found that BCG vaccination induced genome-wide epigenetic reprograming of monocytes and protected against experimental infection with an attenuated yellow fever virus vaccine strain. Epigenetic reprogramming was accompanied by functional changes indicative of trained immunity. Reduction of viremia was highly correlated with the upregulation of IL-1β, a heterologous cytokine associated with the induction of trained immunity, but not with the specific IFNγ response. The importance of IL-1β for the induction of trained immunity was validated through genetic, epigenetic, and immunological studies. In conclusion, BCG induces epigenetic reprogramming in human monocytes in vivo, followed by functional reprogramming and protection against non-related viral infections, with a key role for IL-1β as a mediator of trained immunity responses.

Induction of trained immunity (innate immune memory) is mediated by activation of immune and metabolic pathways that result in epigenetic rewiring of cellular functional programs. Through network-level integration of transcriptomics and metabolomics data, we identify glycolysis, glutaminolysis, and the cholesterol synthesis pathway as indispensable for the induction of trained immunity by β-glucan in monocytes. Accumulation of fumarate, due to glutamine replenishment of the TCA cycle, integrates immune and metabolic circuits to induce monocyte epigenetic reprogramming by inhibiting KDM5 histone demethylases. Furthermore, fumarate itself induced an epigenetic program similar to β-glucan-induced trained immunity. In line with this, inhibition of glutaminolysis and cholesterol synthesis in mice reduced the induction of trained immunity by β-glucan. Identification of the metabolic pathways leading to induction of trained immunity contributes to our understanding of innate immune memory and opens new therapeutic avenues.

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.

Innate immune memory is the phenomenon whereby innate immune cells such as monocytes or macrophages undergo functional reprogramming after exposure to microbial components such as lipopolysaccharide (LPS). We apply an integrated epigenomic approach to characterize the molecular events involved in LPS-induced tolerance in a time-dependent manner. Mechanistically, LPS-treated monocytes fail to accumulate active histone marks at promoter and enhancers of genes in the lipid metabolism and phagocytic pathways. Transcriptional inactivity in response to a second LPS exposure in tolerized macrophages is accompanied by failure to deposit active histone marks at promoters of tolerized genes. In contrast, β-glucan partially reverses the LPS-induced tolerance in vitro. Importantly, ex vivo β-glucan treatment of monocytes from volunteers with experimental endotoxemia re-instates their capacity for cytokine production. Tolerance is reversed at the level of distal element histone modification and transcriptional reactivation of otherwise unresponsive genes. VIDEO ABSTRACT.

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.

Abstract Bacillus Calmette-Guérin (BCG) is recommended as intravesical immunotherapy to reduce the risk of tumor recurrence in patients with non-muscle invasive bladder cancer (NMIBC). Currently, it is unknown whether intravesical BCG application induces trained immunity. Here, we found that intravesical BCG does induce trained immunity based on an increased production of TNF and IL-1β after heterologous ex-vivo stimulation of circulating monocytes 6- 12 weeks after intravesical BCG treatment; and a 37% decreased risk (OR 0.63 (95% CI 0.40- 1.01)) for respiratory infections in BCG-treated versus non-BCG-treated NMIBC patients. An epigenomics approach combining ChIP-sequencing and RNA-sequencing with in-vitro trained immunity experiments identified enhanced inflammasome activity in BCG-treated individuals. Finally, germline variation in genes that affect trained immunity was associated with recurrence and progression after BCG therapy in NMIBC, suggesting a link between trained immunity and oncological outcome.

Male sex, early life chemical exposure and the brain aromatase enzyme have been implicated in autism spectrum disorder (ASD). In the Barwon Infant Study birth cohort (n = 1074), higher prenatal maternal bisphenol A (BPA) levels are associated with higher ASD symptoms at age 2 and diagnosis at age 9 only in males with low aromatase genetic pathway activity scores. Higher prenatal BPA levels are predictive of higher cord blood methylation across the CYP19A1 brain promoter I.f region (P = 0.009) and aromatase gene methylation mediates (P = 0.01) the link between higher prenatal BPA and brain-derived neurotrophic factor methylation, with independent cohort replication. BPA suppressed aromatase expression in vitro and in vivo. Male mice exposed to mid-gestation BPA or with aromatase knockout have ASD-like behaviors with structural and functional brain changes. 10-hydroxy-2-decenoic acid (10HDA), an estrogenic fatty acid alleviated these features and reversed detrimental neurodevelopmental gene expression. Here we demonstrate that prenatal BPA exposure is associated with impaired brain aromatase function and ASD-related behaviors and brain abnormalities in males that may be reversible through postnatal 10HDA intervention.

Abstract Background Assisted reproductive technologies (ART) may perturb DNA methylation (DNAm) in early embryonic development. Although a handful of epigenome-wide association studies of ART have been published, none have investigated CpGs on the X chromosome. To bridge this knowledge gap, we leveraged one of the largest collections of mother-father-newborn trios of ART and non-ART (natural) conceptions to date to investigate DNAm differences on the X chromosome. Materials and Methods The discovery cohort consisted of 982 ART and 963 non-ART trios from the Norwegian Mother, Father, and Child Cohort Study (MoBa). The replication cohort consisted of 149 ART and 58 non-ART neonates from the Australian “Clinical review of the Health of adults conceived following Assisted Reproductive Technologies” (CHART) study. The Illumina EPIC array was used to measure DNA methylation (DNAm) in both datasets. In the MoBa cohort, we performed a set of X-chromosome-wide association studies (“XWASs” hereafter) to search for sex-specific DNAm differences between ART and non-ART newborns. We tested several models to investigate the influence of various confounders, including parental DNAm. We also searched for differentially methylated regions (DMRs) and regions of co-methylation flanking the most significant CpGs. For replication purposes, we ran an analogous model to our main model on the CHART dataset. Results and conclusions In the MoBa cohort, we found more differentially methylated CpGs and DMRs in girls than boys. Most of the associations persisted even after controlling for parental DNAm and other confounders. Many of the significant CpGs and DMRs were in gene-promoter regions, and several of the genes linked to these CpGs are expressed in tissues relevant for both ART and sex (testis, placenta, and fallopian tube). We found no support for parental infertility as an explanation for the observed associations in the newborns. The most significant CpG in the boys-only analysis was in UBE2DNL , which is expressed in testes but with unknown function. The most significant CpGs in the girls-only analysis were in EIF2S3 and AMOT . These three loci also displayed differential DNAm in the CHART cohort. Overall, genes that co-localized with the significant CpGs and DMRs are implicated in several key biological processes (e.g., neurodevelopment) and disorders (e.g., intellectual disability and autism. These connections are particularly compelling in light of previous findings indicating that neurodevelopmental outcomes differ in ART-conceived children compared to naturally-conceived.

Trained immunity defines long-lasting adaptive responses of innate immunity, mediated by transcriptional and epigenetic modifications of myeloid cells. Here, we report that labile heme, an alarmin released extracellularily upon tissue damage and hemolysis, induces trained immunity in human and murine primary cells and in mice. Heme-trainning in monocytes is associated with epigenetic and transcriptional profiles that overlap to some extent with those seen in beta-glucan-training, the prototype agonist of trained immunity. In sharp contrast to beta-glucan-induced training however, heme-training relied on activation of the Syk/JNK-pathway. Heme training in mice was associated with long-lasting expansion of myeloid-biased progenitor cells as well as with altered chromatin accessibility in hematopoietic stem and progenitor cells. Finally, heme-induced training was protective against bacterial sepsis in mice. In conclusion, we reveal that heme, a bona fide alarmin, induces innate immune memory regulating host response to infection.