Regulation of adipose tissue macrophages by eosinophils reveals an unexpected role for eosinophils in metabolic homeostasis.

Type 2 immunity is a stereotyped host response to allergens and parasitic helminths that is sustained in large part by the cytokines IL-4 and IL-13. Recent advances have called attention to the contributions by innate cells in initiating adaptive immunity, including a novel lineage-negative population of cells that secretes IL-13 and IL-5 in response to the epithelial cytokines IL-25 and IL-33. Here, we use IL-4 and IL-13 reporter mice to track lineage-negative innate cells that arise during type 2 immunity or in response to IL-25 and IL-33 in vivo. Unexpectedly, lineage-negative IL-25 (and IL-33) responsive cells are widely distributed in tissues of the mouse and are particularly prevalent in mesenteric lymph nodes, spleen, and liver. These cells expand robustly in response to exogenous IL-25 or IL-33 and after infection with the helminth Nippostrongylus brasiliensis , and they are the major innate IL-13–expressing cells under these conditions. Activation of these cells using IL-25 is sufficient for worm clearance, even in the absence of adaptive immunity. Widely dispersed innate type 2 helper cells, which we designate Ih2 cells, play an integral role in type 2 immune responses.

Parasitic helminths and allergens induce a type 2 immune response leading to profound changes in tissue physiology, including hyperplasia of mucus-secreting goblet cells and smooth muscle hypercontractility. This response, known as 'weep and sweep', requires interleukin (IL)-13 production by tissue-resident group 2 innate lymphoid cells (ILC2s) and recruited type 2 helper T cells (TH2 cells). Experiments in mice and humans have demonstrated requirements for the epithelial cytokines IL-33, thymic stromal lymphopoietin (TSLP) and IL-25 in the activation of ILC2s, but the sources and regulation of these signals remain poorly defined. In the small intestine, the epithelium consists of at least five distinct cellular lineages, including the tuft cell, whose function is unclear. Here we show that tuft cells constitutively express IL-25 to sustain ILC2 homeostasis in the resting lamina propria in mice. After helminth infection, tuft-cell-derived IL-25 further activates ILC2s to secrete IL-13, which acts on epithelial crypt progenitors to promote differentiation of tuft and goblet cells, leading to increased frequencies of both. Tuft cells, ILC2s and epithelial progenitors therefore comprise a response circuit that mediates epithelial remodelling associated with type 2 immunity in the small intestine, and perhaps at other mucosal barriers populated by these cells.

Eosinophil recruitment to the lung and intestine is regulated by type-2-innate-lymphoid-cell-derived IL-5 and IL-13; IL-5 is shown to be induced by the neuropeptide vasoactive intestinal peptide, which is known to coordinate pancreatic secretion with smooth muscle relaxation in response to feeding. Interleukin-5 (IL-5) is required for bone marrow eosinophil production, whereas IL-13 induces chemoattractant proteins known as eotaxins that recruit eosinophils into inflamed tissue. Richard Locksley and colleagues use a mouse strain that permits fate mapping and deletion of IL-5-producing cells to demonstrate that eosinophil recruitment to the lung and intestine is regulated by type 2 innate lymphoid cell-derived IL-5 and IL-13. IL-5 is induced by vasoactive intestinal peptide, which is known to coordinate pancreatic secretion with smooth muscle relaxation in response to feeding. These findings link eosinophils to basal circadian oscillations through long-lived type 2 innate lymphoid cell activation. Eosinophils are specialized myeloid cells associated with allergy and helminth infections. Blood eosinophils demonstrate circadian cycling, as described over 80 years ago1, and are abundant in the healthy gastrointestinal tract. Although a cytokine, interleukin (IL)-5, and chemokines such as eotaxins mediate eosinophil development and survival2, and tissue recruitment3, respectively, the processes underlying the basal regulation of these signals remain unknown. Here we show that serum IL-5 levels are maintained by long-lived type 2 innate lymphoid cells (ILC2) resident in peripheral tissues. ILC2 cells secrete IL-5 constitutively and are induced to co-express IL-13 during type 2 inflammation, resulting in localized eotaxin production and eosinophil accumulation. In the small intestine where eosinophils and eotaxin are constitutive4, ILC2 cells co-express IL-5 and IL-13; this co-expression is enhanced after caloric intake. The circadian synchronizer vasoactive intestinal peptide also stimulates ILC2 cells through the VPAC2 receptor to release IL-5, linking eosinophil levels with metabolic cycling. Tissue ILC2 cells regulate basal eosinophilopoiesis and tissue eosinophil accumulation through constitutive and stimulated cytokine expression, and this dissociated regulation can be tuned by nutrient intake and central circadian rhythms.

Eosinophils in visceral adipose tissue (VAT) have been implicated in metabolic homeostasis and the maintenance of alternatively activated macrophages (AAMs). The absence of eosinophils can lead to adiposity and systemic insulin resistance in experimental animals, but what maintains eosinophils in adipose tissue is unknown. We show that interleukin-5 (IL-5) deficiency profoundly impairs VAT eosinophil accumulation and results in increased adiposity and insulin resistance when animals are placed on a high-fat diet. Innate lymphoid type 2 cells (ILC2s) are resident in VAT and are the major source of IL-5 and IL-13, which promote the accumulation of eosinophils and AAM. Deletion of ILC2s causes significant reductions in VAT eosinophils and AAMs, and also impairs the expansion of VAT eosinophils after infection with Nippostrongylus brasiliensis, an intestinal parasite associated with increased adipose ILC2 cytokine production and enhanced insulin sensitivity. Further, IL-33, a cytokine previously shown to promote cytokine production by ILC2s, leads to rapid ILC2-dependent increases in VAT eosinophils and AAMs. Thus, ILC2s are resident in VAT and promote eosinophils and AAM implicated in metabolic homeostasis, and this axis is enhanced during Th2-associated immune stimulation.

High-affinity isotype-switched B cells arise in germinal centers. Locksley and colleagues show that follicular helper T cells are the main cytokine providers for GC B cells and thereby directly influence the ensuing antibody response. High-affinity antibodies are critical for host protection and underlie successful vaccines. The generation of such antibodies requires T cell–dependent help, which mediates germinal center reactions in which mutation and selection of B cells occurs. Using an interleukin 4–reporter system, we show here that CD4+ follicular helper T cells constituted essentially all of the cytokine-secreting T cells in lymph nodes and were functionally distinct from T cells secreting the same cytokine in peripheral tissues. Follicular helper T cells with different cytokine profiles could be isolated as conjugates with B cells undergoing cytokine-specific immunoglobulin class switching with evidence of somatic hypermutation. Our findings support a model in which B cells compete for cytokines produced by follicular helper T cells that shape the affinity and isotype of the antibody response.

Antigens associated with insects, crustacea, helminths and fungi make up a considerable proportion of the environmental antigens associated with allergies and asthma in humans. Nonetheless, the common elements that link these widely distributed entities remain unknown. A major culprit might be chitin. Chitin is the second most abundant polymer in nature, providing the osmotic stability and tensile strength to countless cell walls and rigid exoskeletons. Reese et al. have now found that mice treated with chitin develop an allergic response, characterized by a build-up of interleukin-4 expressing innate immune cells. Treatment with a chitinase enzyme abolishes the response. Occupations associated with high environmental chitin levels, such as shellfish processors, are prone to high incidences of asthma, suggesting that this pathway may play a role in human allergic disease. The biopolymer chitin is one of the main components in the cell walls of fungi, the exoskeletons of insects and crustaceans and the bodies of some parasitic worms. This paper describes how chitin elicits an innate allergic response in mice, which is controlled by a host chitinase. Allergic and parasitic worm immunity is characterized by infiltration of tissues with interleukin (IL)-4- and IL-13-expressing cells, including T-helper-2 cells, eosinophils and basophils1. Tissue macrophages assume a distinct phenotype, designated alternatively activated macrophages2. Relatively little is known about the factors that trigger these host responses. Chitin, a widespread environmental biopolymer of N-acetyl-β-d-glucosamine, provides structural rigidity to fungi, crustaceans, helminths and insects3. Here, we show that chitin induces the accumulation in tissue of IL-4-expressing innate immune cells, including eosinophils and basophils, when given to mice. Tissue infiltration was unaffected by the absence of Toll-like-receptor-mediated lipopolysaccharide recognition but did not occur if the injected chitin was pre-treated with the IL-4- and IL-13-inducible mammalian chitinase, AMCase4, or if the chitin was injected into mice that overexpressed AMCase. Chitin mediated alternative macrophage activation in vivo and the production of leukotriene B4, which was required for optimal immune cell recruitment. Chitin is a recognition element for tissue infiltration by innate cells implicated in allergic and helminth immunity and this process can be negatively regulated by a vertebrate chitinase.

Interleukins 4 and 13 are critical for responses to helminthes. Locksley and colleagues use genetically engineered reporter mice to assess the temporal and spatial production of these cytokines in vivo. Interleukin 4 (IL-4) and IL-13 are critical for responses to parasitic helminthes. We used genetically engineered reporter mice to assess the temporal and spatial production of these cytokines in vivo. In lymph nodes, IL-4, but not IL-13, was made by follicular helper T cells (TFH cells). In contrast, tissue type 2 helper T cells (TH2 cells) produced both cytokines. There was also divergent production of IL-4 and IL-13 among cells of the innate immune system, whereby basophils produced IL-4, whereas innate helper type 2 cells (Ih2 cells) produced IL-13. IL-13 production by TH2 and Ih2 cells was dependent on the transcription factor GATA-3, which was present in large amounts in these cells, and in contrast to the small amount of GATA-3 in TFH cells and basophils. The distinct localization and cellular expression of IL-4 and IL-13 explains their unique roles during allergic immunity.

Group 2 innate lymphoid cells (ILC2s) and regulatory T (Treg) cells are systemically induced by helminth infection but also sustain metabolic homeostasis in adipose tissue and contribute to tissue repair during injury. Here we show that interleukin-33 (IL-33) mediates activation of ILC2s and Treg cells in resting adipose tissue, but also after helminth infection or treatment with IL-2. Unexpectedly, ILC2-intrinsic IL-33 activation was required for Treg cell accumulation in vivo and was independent of ILC2 type 2 cytokines but partially dependent on direct co-stimulatory interactions via ICOSL-ICOS. IFN-γ inhibited ILC2 activation and Treg cell accumulation by IL-33 in infected tissue, as well as adipose tissue, where repression increased with aging and high-fat diet-induced obesity. IL-33 and ILC2s are central mediators of type 2 immune responses that promote tissue and metabolic homeostasis, and IFN-γ suppresses this pathway, likely to promote inflammatory responses and divert metabolic resources necessary to protect the host.

The small intestinal tuft cell-ILC2 circuit mediates epithelial responses to intestinal helminths and protists by tuft cell chemosensory-like sensing and IL-25-mediated activation of lamina propria ILC2s. Small intestine ILC2s constitutively express the IL-25 receptor, which is negatively regulated by A20 (Tnfaip3). A20 deficiency in ILC2s spontaneously triggers the circuit and, unexpectedly, promotes adaptive small-intestinal lengthening and remodeling. Circuit activation occurs upon weaning and is enabled by dietary polysaccharides that render mice permissive for Tritrichomonas colonization, resulting in luminal accumulation of acetate and succinate, metabolites of the protist hydrogenosome. Tuft cells express GPR91, the succinate receptor, and dietary succinate, but not acetate, activates ILC2s via a tuft-, TRPM5-, and IL-25-dependent pathway. Also induced by parasitic helminths, circuit activation and small intestinal remodeling impairs infestation by new helminths, consistent with the phenomenon of concomitant immunity. We describe a metabolic sensing circuit that may have evolved to facilitate mutualistic responses to luminal pathosymbionts.