NKT cells are associated with immunological control of autoimmune disease and cancer and can recognize cell surface mCD1d without addition of exogenous antigens. Cellular antigens presented by mCD1d have not been identified, although NKT cells can recognize a synthetic glycolipid, α-GalCer. Here we show that after addition of a lipid extract from a tumor cell line, plate-bound mCD1d molecules stimulated an NKT cell hybridoma. This hybridoma also responded strongly to three purified phospholipids, but failed to recognize α-GalCer. Seven of sixteen other mCD1d restricted hybridomas also showed a response to certain purified phospholipids. These findings suggest NKT cells can recognize cellular antigens distinct from α-GalCer and identify phospholipids as potential self-antigens presented by mCD1d.

ABSTRACT We report that dissemination of Mycobacterium tuberculosis in the mouse is under host control and precedes the initiation of T-cell immunity. Nine to eleven days after aerosol inoculation, M. tuberculosis disseminates to the pulmonary lymph nodes (LN), where M. tuberculosis -specific T cells are detected 2 to 3 days thereafter. This indicates that the initial spread of bacteria occurs via lymphatic drainage and that the acquired T-cell immune response is generated in the draining LN. Dissemination to peripheral sites, such as the spleen and the liver, occurs 11 to 14 days postinfection and is followed by the appearance of M. tuberculosis -specific T cells in the lung and the spleen. In all cases studied, dissemination to the LN or the spleen preceded activation of M. tuberculosis -specific T cells in that organ. Interestingly, bacteria disseminate earlier from the lungs of resistant C57BL/6 mice than from the lungs of susceptible C3H mice, and consequently, C57BL/6 mice generate an immune response to M. tuberculosis sooner than C3H mice generate an immune response. Thus, instead of spreading infection, early dissemination of M. tuberculosis may aid in the initiation of an appropriate and timely immune response. We hypothesize that this early initiation of immunity following inoculation with M. tuberculosis may contribute to the superior resistance of C57BL/6 mice.

Macrophages infected with virulent Mycobacterium tuberculosis die by necrosis. Remold and colleagues show that virulent M. tuberculosis promotes necrosis by damaging the plasma membrane and inhibiting its repair. Induction of macrophage necrosis is a strategy used by virulent Mycobacterium tuberculosis (Mtb) to avoid innate host defense. In contrast, attenuated Mtb causes apoptosis, which limits bacterial replication and promotes T cell cross-priming by antigen-presenting cells. Here we show that Mtb infection causes plasma membrane microdisruptions. Resealing of these lesions, a process crucial for preventing necrosis and promoting apoptosis, required translocation of lysosomal and Golgi apparatus–derived vesicles to the plasma membrane. Plasma membrane repair depended on prostaglandin E2 (PGE2), which regulates synaptotagmin 7 (Syt-7), the calcium sensor involved in the lysosome-mediated repair mechanism. By inducing production of lipoxin A4 (LXA4), which blocks PGE2 biosynthesis, virulent Mtb prevented membrane repair and induced necrosis. Thus, virulent Mtb impairs macrophage plasma membrane repair to evade host defenses.

Virulent Mycobacterium tuberculosis (Mtb) induces a maladaptive cytolytic death modality, necrosis, which is advantageous for the pathogen. We report that necrosis of macrophages infected with the virulent Mtb strains H37Rv and Erdmann depends on predominant LXA(4) production that is part of the antiinflammatory and inflammation-resolving action induced by Mtb. Infection of macrophages with the avirulent H37Ra triggers production of high levels of the prostanoid PGE(2), which promotes protection against mitochondrial inner membrane perturbation and necrosis. In contrast to H37Ra infection, PGE(2) production is significantly reduced in H37Rv-infected macrophages. PGE(2) acts by engaging the PGE(2) receptor EP2, which induces cyclic AMP production and protein kinase A activation. To verify a role for PGE(2) in control of bacterial growth, we show that infection of prostaglandin E synthase (PGES)(-/-) macrophages in vitro with H37Rv resulted in significantly higher bacterial burden compared with wild-type macrophages. More importantly, PGES(-/-) mice harbor significantly higher Mtb lung burden 5 wk after low-dose aerosol infection with virulent Mtb. These in vitro and in vivo data indicate that PGE(2) plays a critical role in inhibition of Mtb replication.

Resistance to Mycobacterium tuberculosis requires the host to restrict bacterial replication while preventing an over-exuberant inflammatory response. Interferon (IFN) γ is crucial for activating macrophages and also regulates tissue inflammation. We dissociate these two functions and show that IFN-γ−/− memory CD4+ T cells retain their antimicrobial activity but are unable to suppress inflammation. IFN-γ inhibits CD4+ T cell production of IL-17, which regulates neutrophil recruitment. In addition, IFN-γ directly inhibits pathogenic neutrophil accumulation in the infected lung and impairs neutrophil survival. Regulation of neutrophils is important because their accumulation is detrimental to the host. We suggest that neutrophilia during tuberculosis indicates failed Th1 immunity or loss of IFN-γ responsiveness. These results establish an important antiinflammatory role for IFN-γ in host protection against tuberculosis.

Bacteria that cause disease rely on their ability to counteract and overcome host defenses. Here, we present a genome-scale study of Mycobacterium tuberculosis (Mtb) that uncovers the bacterial determinants of surviving host immunity, sets of genes we term "counteractomes." Through this analysis, we found that CD4 T cells attempt to contain Mtb growth by starving it of tryptophan--a mechanism that successfully limits infections by Chlamydia and Leishmania, natural tryptophan auxotrophs. Mtb, however, can synthesize tryptophan under stress conditions, and thus, starvation fails as an Mtb-killing mechanism. We then identify a small-molecule inhibitor of Mtb tryptophan synthesis, which converts Mtb into a tryptophan auxotroph and restores the efficacy of a failed host defense. Together, our findings demonstrate that the Mtb immune counteractomes serve as probes of host immunity, uncovering immune-mediated stresses that can be leveraged for therapeutic discovery.

Summary

 Mycobacterium tuberculosis persists within macrophages in an arrested phagosome and depends upon necrosis to elude immunity and disseminate. Although apoptosis of M. tuberculosis-infected macrophages is associated with reduced bacterial growth, the bacteria are relatively resistant to other forms of death, leaving the mechanism underlying this observation unresolved. We find that after apoptosis, M. tuberculosis-infected macrophages are rapidly taken up by uninfected macrophages through efferocytosis, a dedicated apoptotic cell engulfment process. Efferocytosis of M. tuberculosis sequestered within an apoptotic macrophage further compartmentalizes the bacterium and delivers it along with the apoptotic cell debris to the lysosomal compartment. M. tuberculosis is killed only after efferocytosis, indicating that apoptosis itself is not intrinsically bactericidal but requires subsequent phagocytic uptake and lysosomal fusion of the apoptotic body harboring the bacterium. While efferocytosis is recognized as a constitutive housekeeping function of macrophages, these data indicate that it can also function as an antimicrobial effector mechanism.

Granulomas are the pathological hallmark of tuberculosis (TB). However, their function and mechanisms of formation remain poorly understood. To understand the role of granulomas in TB, we analyzed the proteomes of granulomas from subjects with tuberculosis in an unbiased manner. Using laser-capture microdissection, mass spectrometry and confocal microscopy, we generated detailed molecular maps of human granulomas. We found that the centers of granulomas have a pro-inflammatory environment that is characterized by the presence of antimicrobial peptides, reactive oxygen species and pro-inflammatory eicosanoids. Conversely, the tissue surrounding the caseum has a comparatively anti-inflammatory signature. These findings are consistent across a set of six human subjects and in rabbits. Although the balance between systemic pro- and anti-inflammatory signals is crucial to TB disease outcome, here we find that these signals are physically segregated within each granuloma. From the protein and lipid snapshots of human and rabbit lesions analyzed here, we hypothesize that the pathologic response to TB is shaped by the precise anatomical localization of these inflammatory pathways during the development of the granuloma.