Microbes: Early and Often Epidemiological studies have suggested that the increase in the incidence of asthma and other inflammatory diseases seen in many parts of the world may be due to a reduced exposure to microbes during early childhood. Olszak et al. (p. 489, published online 22 March) now show that commensal microflora help to regulate the numbers and functions of natural killer T (NKT) cells in the colon and lung in mice. Germ-free mice had elevated numbers of NKT cells in these tissues and were more susceptible to chemically induced colitis and allergic asthma. Neonatal recolonization of germ-free mice with microflora prevented enhanced colitis and asthma sensitivity; however, exposure of adult mice to these conditions was not effective. Thus, early exposure to microbes has important, lasting effects on the immune system's sensitivity to inflammation.

Inflammatory bowel disease (IBD) has been attributed to aberrant mucosal immunity to the intestinal microbiota. The transcription factor XBP1, a key component of the endoplasmic reticulum (ER) stress response, is required for development and maintenance of secretory cells and linked to JNK activation. We hypothesized that a stressful environmental milieu in a rapidly proliferating tissue might instigate a proinflammatory response. We report that Xbp1 deletion in intestinal epithelial cells (IECs) results in spontaneous enteritis and increased susceptibility to induced colitis secondary to both Paneth cell dysfunction and an epithelium that is overly reactive to inducers of IBD such as bacterial products (flagellin) and TNFα. An association of XBP1 variants with both forms of human IBD (Crohn's disease and ulcerative colitis) was identified and replicated (rs35873774; p value 1.6 × 10−5) with novel, private hypomorphic variants identified as susceptibility factors. Hence, intestinal inflammation can originate solely from XBP1 abnormalities in IECs, thus linking cell-specific ER stress to the induction of organ-specific inflammation.

B cells possess a variety of immune functions that are involved in normal and abnormal immune responses, including autoimmune disorders. Through murine models of intestinal inflammation, we here demonstrate a B cell subset that is induced in gut-associated lymphoid tissues and is characterized by CD1d upregulation. This B cell subset appears under a chronic inflammatory environment, produces IL-10, and suppresses progression of intestinal inflammation by downregulating inflammatory cascades associated with IL-1 upregulation and STAT3 activation rather than by altering polarized T helper responses. This study indicates that B cells, by producing cytokines such as IL-10, can act as regulatory cells in immunologically mediated inflammatory reactions.

Azathioprine and its metabolite 6-mercaptopurine (6-MP) are immunosuppressive drugs that are used in organ transplantation and autoimmune and chronic inflammatory diseases such as Crohn disease. However, their molecular mechanism of action is unknown. In the present study, we have identified a unique and unexpected role for azathioprine and its metabolites in the control of T cell apoptosis by modulation of Rac1 activation upon CD28 costimulation. We found that azathioprine and its metabolites induced apoptosis of T cells from patients with Crohn disease and control patients. Apoptosis induction required costimulation with CD28 and was mediated by specific blockade of Rac1 activation through binding of azathioprine-generated 6-thioguanine triphosphate (6-Thio-GTP) to Rac1 instead of GTP. The activation of Rac1 target genes such as mitogen-activated protein kinase kinase (MEK), NF-kappaB, and bcl-x(L) was suppressed by azathioprine, leading to a mitochondrial pathway of apoptosis. Azathioprine thus converts a costimulatory signal into an apoptotic signal by modulating Rac1 activity. These findings explain the immunosuppressive effects of azathioprine and suggest that 6-Thio-GTP derivates may be useful as potent immunosuppressive agents in autoimmune diseases and organ transplantation.

Mast cells, which are involved in inflammation and wound healing, have now been shown to have a role in obesity and diabetes in a new report by Guo-Ping Shi and his colleagues. They go on to show that pharmacological inhibition of mast cell function is sufficient to reduce these metabolic disturbances in mice, suggesting a new therapeutic avenue in the clinic for these disorders. Although mast cell functions have classically been related to allergic responses1,2,3, recent studies indicate that these cells contribute to other common diseases such as multiple sclerosis, rheumatoid arthritis, atherosclerosis, aortic aneurysm and cancer4,5,6,7,8. This study presents evidence that mast cells also contribute to diet-induced obesity and diabetes. For example, white adipose tissue (WAT) from obese humans and mice contain more mast cells than WAT from their lean counterparts. Furthermore, in the context of mice on a Western diet, genetically induced deficiency of mast cells, or their pharmacological stabilization, reduces body weight gain and levels of inflammatory cytokines, chemokines and proteases in serum and WAT, in concert with improved glucose homeostasis and energy expenditure. Mechanistic studies reveal that mast cells contribute to WAT and muscle angiogenesis and associated cell apoptosis and cathepsin activity. Adoptive transfer experiments of cytokine-deficient mast cells show that these cells, by producing interleukin-6 (IL-6) and interferon-γ (IFN-γ), contribute to mouse adipose tissue cysteine protease cathepsin expression, apoptosis and angiogenesis, thereby promoting diet-induced obesity and glucose intolerance. Our results showing reduced obesity and diabetes in mice treated with clinically available mast cell-stabilizing agents suggest the potential of developing new therapies for these common human metabolic disorders.

While Crohn disease (CD) has been clearly identified as a Th1 inflammation, the immunopathogenesis of its counterpart inflammatory bowel disease, ulcerative colitis (UC), remains enigmatic. Here we show that lamina propria T (LPT) cells from UC patients produce significantly greater amounts of IL-13 (and IL-5) than control cells and little IFN-γ, whereas comparable cells from CD patients produce large amounts of IFN-γ and small amounts of IL-13. We then show that stimulation of UC LPT cells bearing an NK marker (CD161) with anti-CD2/anti-CD28 or with B cells expressing transfected CD1d induces substantial IL-13 production. While this provided firm evidence that the IL-13–producing cell is an NK T (NKT) cell, it became clear that this cell does not express invariant NKT cell receptors characteristic of most NKT cells since there was no increase in cells binding α-galactosylceramide–loaded tetramers, and α-galactosylceramide did not induce IL-13 secretion. Finally, we show that both human NKT cell lines as well as UC CD161+ LPT cells are cytotoxic for HT-29 epithelial cells and that this cytotoxicity is augmented by IL-13. These studies show that UC is associated with an atypical Th2 response mediated by nonclassical NKT cells producing IL-13 and having cytotoxic potential for epithelial cells.

Variation in ATG16L1, a protein involved in autophagy, confers risk for Crohn’s disease, but mice with hypomorphic ATG16L1 activity do not develop spontaneous intestinal inflammation; this study shows that autophagy compensates for endoplasmic reticulum stress — common in inflammatory bowel disease epithelium — specifically in Paneth cells, with Crohn’s-disease-like inflammation of the ileum originating from this cell type when both pathways are compromised. Variations in ATG16L1 — a protein involved in autophagy — are risk factors for Crohn's disease, but although mice homozygous for a common ATG16L1 risk allele show abnormal Paneth cell function, they do not develop intestinal inflammation as might be expected. Richard Blumberg and colleagues show that impairment of either autophagy or the unfolded protein response within Paneth cells results in each other's compensatory engagement, but that colitis develops only when both pathways are impaired. This work highlights pharmacological augmentation of autophagy as a possible therapeutic approach to controlling intestinal inflammation. The recognition of autophagy related 16-like 1 (ATG16L1) as a genetic risk factor has exposed the critical role of autophagy in Crohn’s disease1. Homozygosity for the highly prevalent ATG16L1 risk allele, or murine hypomorphic (HM) activity, causes Paneth cell dysfunction2,3. As Atg16l1HM mice do not develop spontaneous intestinal inflammation, the mechanism(s) by which ATG16L1 contributes to disease remains obscure. Deletion of the unfolded protein response (UPR) transcription factor X-box binding protein-1 (Xbp1) in intestinal epithelial cells, the human orthologue of which harbours rare inflammatory bowel disease risk variants, results in endoplasmic reticulum (ER) stress, Paneth cell impairment and spontaneous enteritis4. Unresolved ER stress is a common feature of inflammatory bowel disease epithelium4,5, and several genetic risk factors of Crohn’s disease affect Paneth cells2,4,6,7,8,9. Here we show that impairment in either UPR (Xbp1ΔIEC) or autophagy function (Atg16l1ΔIEC or Atg7ΔIEC) in intestinal epithelial cells results in each other’s compensatory engagement, and severe spontaneous Crohn’s-disease-like transmural ileitis if both mechanisms are compromised. Xbp1ΔIEC mice show autophagosome formation in hypomorphic Paneth cells, which is linked to ER stress via protein kinase RNA-like endoplasmic reticulum kinase (PERK), elongation initiation factor 2α (eIF2α) and activating transcription factor 4 (ATF4). Ileitis is dependent on commensal microbiota and derives from increased intestinal epithelial cell death, inositol requiring enzyme 1α (IRE1α)-regulated NF-κB activation and tumour-necrosis factor signalling, which are synergistically increased when autophagy is deficient. ATG16L1 restrains IRE1α activity, and augmentation of autophagy in intestinal epithelial cells ameliorates ER stress-induced intestinal inflammation and eases NF-κB overactivation and intestinal epithelial cell death. ER stress, autophagy induction and spontaneous ileitis emerge from Paneth-cell-specific deletion of Xbp1. Genetically and environmentally controlled UPR function within Paneth cells may therefore set the threshold for the development of intestinal inflammation upon hypomorphic ATG16L1 function and implicate ileal Crohn’s disease as a specific disorder of Paneth cells.

Oxazolone colitis (OC) is an experimental colitis that has a histologic resemblance to human ulcerative colitis. Here we show that IL-13 production is a significant pathologic factor in OC since its neutralization by IL-13Rα2-Fc administration prevents colitis. We further show that OC is mediated by NK-T cells since it can be induced neither in mice depleted of NK-T cells nor in mice that cannot present antigen to NK-T cells and mice lacking an NK-T cell-associated TCR. Finally, we show that NK-T cells are the source of the IL-13, since they produce IL-13 upon stimulation by α-galactosylceramide, an NK-T cell-specific antigen. These data thus describe a cellular mechanism underlying an experimental colitis that may explain the pathogenesis of ulcerative colitis.