The airway mucin Muc5b (but not Muc5ac) is required for mucociliary clearance, defence against bacterial infection in the airways and middle ear, and maintenance of immune homeostasis in the lungs; Muc5b deficiency causes accumulation of apoptotic macrophages, impairment of phagocytosis and reduced production of interleukin-23, leading to infection and inflammation. The mucosal surfaces in the lungs are a first line of defence against airborne pathogens but overproduction of mucus can itself cause respiratory disease. This study identifies a specific glycoprotein component of airway mucus, called Muc5b, as essential for mucociliary clearance in mice. Surprisingly Muc5b also contributes to innate defence against bacterial infection through the regulation of macrophage function both in mice and in humans with allergic asthma. Absence of Muc5b causes materials to accumulate in the airways, culminating in chronic infection by multiple bacterial species. This work could have relevance for the treatment of airway diseases. Respiratory surfaces are exposed to billions of particulates and pathogens daily. A protective mucus barrier traps and eliminates them through mucociliary clearance (MCC)1,2. However, excessive mucus contributes to transient respiratory infections and to the pathogenesis of numerous respiratory diseases1. MUC5AC and MUC5B are evolutionarily conserved genes that encode structurally related mucin glycoproteins, the principal macromolecules in airway mucus1,3. Genetic variants are linked to diverse lung diseases4,5,6, but specific roles for MUC5AC and MUC5B in MCC, and the lasting effects of their inhibition, are unknown. Here we show that mouse Muc5b (but not Muc5ac) is required for MCC, for controlling infections in the airways and middle ear, and for maintaining immune homeostasis in mouse lungs, whereas Muc5ac is dispensable. Muc5b deficiency caused materials to accumulate in upper and lower airways. This defect led to chronic infection by multiple bacterial species, including Staphylococcus aureus, and to inflammation that failed to resolve normally7. Apoptotic macrophages accumulated, phagocytosis was impaired, and interleukin-23 (IL-23) production was reduced in Muc5b−/− mice. By contrast, in mice that transgenically overexpress Muc5b, macrophage functions improved. Existing dogma defines mucous phenotypes in asthma and chronic obstructive pulmonary disease (COPD) as driven by increased MUC5AC, with MUC5B levels either unaffected or increased in expectorated sputum1,8. However, in many patients, MUC5B production at airway surfaces decreases by as much as 90%9,10,11. By distinguishing a specific role for Muc5b in MCC, and by determining its impact on bacterial infections and inflammation in mice, our results provide a refined framework for designing targeted therapies to control mucin secretion and restore MCC.

In asthma, airflow obstruction is thought to result primarily from inflammation-triggered airway smooth muscle (ASM) contraction. However, anti-inflammatory and smooth muscle-relaxing treatments are often temporary or ineffective. Overproduction of the mucin MUC5AC is an additional disease feature that, while strongly associated pathologically, is poorly understood functionally. Here we show that Muc5ac is a central effector of allergic inflammation that is required for airway hyperreactivity (AHR) to methacholine (MCh). In mice bred on two well-characterized strain backgrounds (C57BL/6 and BALB/c) and exposed to two separate allergic stimuli (ovalbumin and Aspergillus extract), genetic removal of Muc5ac abolishes AHR. Residual MCh responses are identical to unchallenged controls, and although inflammation remains intact, heterogeneous mucous occlusion decreases by 74%. Thus, whereas inflammatory effects on ASM alone are insufficient for AHR, Muc5ac-mediated plugging is an essential mechanism. Inhibiting MUC5AC may be effective for treating asthma and other lung diseases where it is also overproduced. Asthma is associated with mucus overproduction; however, the immunological consequences of excess mucus remain poorly understood. Here the authors show that formation of airway plugs by mucus promotes airway hypersensitivity, while deletion of mucous component Muc5acablates it independently of inflammation.

Rationale: MUC5AC (mucin 5AC, oligomeric gel-forming) and MUC5B (mucin 5B, oligomeric gel-forming) are the predominant secreted polymeric mucins in mammalian airways. They contribute differently to the pathogenesis of various muco-obstructive and interstitial lung diseases, and their genes are separately regulated, but whether they are packaged together or in separate secretory granules is not known. Objectives: To determine the packaging of MUC5AC and MUC5B within individual secretory granules in mouse and human airways under varying conditions of inflammation and along the proximal-distal axis. Methods: Lung tissue was obtained from mice stimulated to upregulate mucin production by the cytokines IL-1β and IL-13 or by porcine pancreatic elastase. Human lung tissue was obtained from donated normal lungs, biopsy samples of transplanted lungs, and explanted lungs from subjects with chronic obstructive pulmonary disease. MUC5AC and MUC5B were labeled with antibodies from different animal species or, in mice only, by transgenic chimeric mucin-fluorescent proteins and imaged using widefield deconvolution or Airyscan fluorescence microscopy. Measurements and Main Results: In both mouse and human airways, most secretory granules contained both mucins interdigitating within the granules. Smaller numbers of granules contained MUC5B alone, and even fewer contained MUC5AC alone. Conclusions: MUC5AC and MUC5B are variably stored both in the same and in separate secretory granules of both mice and humans. The high fraction of granules containing both mucins under a variety of conditions makes it unlikely that their secretion can be differentially controlled as a therapeutic strategy. This work also advances knowledge of the packaging of mucins within secretory granules to understand mechanisms of epithelial stress in the pathogenesis of chronic lung diseases.

Abstract The so-called primary interface between the SNARE complex and synaptotagmin-1 (Syt1) is essential for Ca 2+ -triggered neurotransmitter release in neuronal synapses. The interacting residues of the primary interface are conserved across different species for synaptotagmins (Syt1, Syt2, Syt9), SNAP-25, and syntaxin-1A homologs involved in fast synchronous release. This Ca 2+ -independent interface forms prior to Ca 2+ -triggering and plays a role in synaptic vesicle priming. This primary interface is also conserved in the fusion machinery that is responsible for mucin granule membrane fusion. Ca 2+ stimulated mucin secretion is mediated by the SNAREs syntaxin-3, SNAP-23, VAMP8, synaptotagmin-2, and other proteins. Here, we designed and screened a series of hydrocarbon-stapled peptides consisting of SNAP-25 fragments that included some of the key residues involved in the primary interface as observed in high-resolution crystal structures. We selected a subset of four stapled peptides that were highly α-helical as assessed by circular dichroism and that inhibited both Ca 2+ -independent and Ca 2+ - triggered ensemble lipid-mixing with neuronal SNAREs and Syt1. In a single-vesicle content-mixing assay with reconstituted neuronal SNAREs and synaptotagmin-1 or with reconstituted airway SNAREs and synaptotagmin-2, the selected peptides also suppressed Ca 2+ -triggered fusion. Taken together, hydrocarbon-stapled peptides that interfere with the primary interface consequently inhibit Ca 2+ -triggered exocytosis. Our inhibitor screen suggests that these compounds may be useful to combat mucus hypersecretion that is a major cause of airway obstruction in the pathophysiology of COPD, asthma and cystic fibrosis.

Airway mucin secretion is necessary for ciliary clearance of inhaled particles and pathogens, but can be detrimental in pathologies such as asthma and cystic fibrosis. Exocytosis in mammals requires a Munc18 scaffolding protein, and airway secretory cells express all three Munc18 isoforms. Using conditional airway epithelial deletant mice, we found that Munc18a has the major role in baseline mucin secretion, Munc18b has the major role in stimulated mucin secretion, and Munc18c does not function in mucin secretion. In an allergic asthma model, Munc18b deletion reduced airway mucus occlusion and airflow resistance. In a cystic fibrosis model, Munc18b deletion reduced airway mucus occlusion and emphysema. Munc18b deficiency in the airway epithelium did not result in any abnormalities of lung structure, particle clearance, inflammation, or bacterial infection. Our results show that regulated secretion in a polarized epithelial cell may involve more than one exocytic machine at the apical plasma membrane, and that the protective roles of mucin secretion can be preserved while therapeutically targeting its pathologic roles.

The calcium-activated chloride channel TMEM16A enables chloride secretion across several transporting epithelia, including in the airway where it represents a therapeutic target for the treatment of cystic fibrosis. Additional roles for TMEM16A have also been proposed, including enhancing goblet cell exocytosis, increasing goblet cell numbers and stimulating smooth muscle contraction. The aim of the present study was to test whether the pharmacological regulation of TMEM16A channel function, both potentiation and inhibition, could affect any of these proposed biological roles. In vitro, a recently described potent and selective TMEM16A potentiator (ETX001) failed to stimulate mucin release from primary human bronchial epithelial (HBE) cells over a 24h exposure period using both biochemical and imaging endpoints. In addition, treatment of HBE cells with ETX001 or a potent and selective TMEM16A inhibitor (Ani9) for 4 days did not influence mucin release or goblet cell formation. In vivo, a TMEM16A potentiator was without effect on goblet cell emptying in an IL-13 driven goblet cell metaplasia model. Using freshly isolated human bronchi and pulmonary arteries, neither ETX001 or Ani9 had any effect on the contractile or relaxant responses of the tissues. In vivo, ETX001 also failed to influence either lung or cardiovascular function when delivered directly into the airways of telemetered rats. Together, these studies do not support a role for TMEM16A in the regulation of goblet cell numbers or mucin release, or on the regulation of airway or pulmonary artery smooth muscle contraction.### Competing Interest StatementH.D., S.P.C. and M.G. are full time employees of Enterprise Therapeutics, a company dedicated to the discovery of new therapies for the treatment of respiratory diseases.

Abstract Pneumonia is a worldwide threat, making discovery of novel means to combat lower respiratory tract infections an urgent need. We have previously shown that manipulating the lungs’ intrinsic host defenses by therapeutic delivery of a unique dyad of pathogen-associated molecular patterns protects mice against pneumonia in a reactive oxygen species (ROS)-dependent manner. Here we show that antimicrobial ROS are induced from lung epithelial cells by interactions of CpG oligodeoxynucleotides (ODNs) with mitochondrial voltage-dependent anion channel 1 (VDAC1) without dependence on Toll-like receptor 9 (TLR9). The ODN-VDAC1 interaction alters cellular ATP/ADP/AMP localization, increases delivery of electrons to the electron transport chain (ETC), enhances mitochondrial membrane potential (Δ Ψm ), and differentially modulates ETC complex activities. These combined effects promote leak of electrons from ETC complex III, resulting in superoxide formation. The ODN-induced mitochondrial ROS yield protective antibacterial effects. Together, these studies identify a therapeutic metabolic manipulation strategy that has the potential to broadly protect patients against pneumonia during periods of peak vulnerability without reliance on currently available antibiotics. Author Summary Pneumonia is a major cause of death worldwide. Increasing antibiotic resistance and expanding immunocompromised populations continue to enhance the clinical urgency to find new strategies to prevent and treat pneumonia. We have identified a novel inhaled therapeutic that stimulates lung epithelial defenses to protect mice against pneumonia in a manner that depends on production of reactive oxygen species (ROS). Here, we report that the induction of protective ROS from lung epithelial mitochondria occurs following the interaction of one component of the treatment, an oligodeoxynucleotide, with the mitochondrial voltage-dependent anion channel 1. This interaction alters energy transfer between the mitochondria and the cytosol, resulting in metabolic reprogramming that drives more electrons into the electron transport chain, then causes electrons to leak from the electron transport chain to form protective ROS. While antioxidant therapies are endorsed in many other disease states, we present here an example of therapeutic induction of ROS that is associated with broad protection against pneumonia without reliance on administration of antibiotics.

Abstract Allergic asthma is a chronic inflammatory respiratory disease associated with eosinophilic infiltration, increased mucus production, airway hyperresponsiveness (AHR), and airway remodeling. Epidemiologic data has revealed that the prevalence of allergic sensitization and associated diseases has increased in the twentieth century. This has been hypothesized to be partly due to reduced contact with microbial organisms (the hygiene hypothesis) in industrialized society. Airway epithelial cells, once considered a static physical barrier between the body and the external world, are now widely recognized as immunologically active cells that can initiate, maintain, and restrain inflammatory responses, such as those that mediate allergic disease. Airway epithelial cells can sense allergens via myriad expression of Toll-like receptors (TLRs) and other pattern-recognition receptors (PRRs). We sought to determine whether the innate immune response stimulated by a combination of Pam2CSK4 (“Pam2”, TLR2/6 ligand) and a class C oligodeoxynucleotide ODN362 (“ODN”, TLR9 ligand) when delivered together by aerosol (“Pam2ODN”), can modulate the allergic immune response to allergens. Treatment with Pam2ODN 7 days before sensitization to House Dust Mite (HDM) extract resulted in a strong reduction in eosinophilic and lymphocytic inflammation. This Pam2ODN immunomodulatory effect was also seen using Ovalbumin (OVA) and A. oryzae (Ao) mouse models. The immunomodulatory effect was observed as much as 30 days before sensitization to HDM, but ineffective just 2 days after sensitization, suggesting that Pam2ODN immunomodulation lowers the allergic responsiveness of airway epithelial cells. Furthermore, Pam2 and ODN cooperated synergistically suggesting that this treatment is superior to any single agonist in the setting of allergen immunotherapy. One Sentence Summary A synergistic combination of Toll-like Receptor agonists, delivered directly into the lung mucosa, can attenuate allergic responsiveness of airway epithelial cells and prevent host sensitization to aeroallergens. What is already known Allergic sensitization has increased in the 20 th century due to reduced contact with microbial organisms in industrialized society (ie. hygiene hypothesis) We have previously identified a pharmacological means to stimulate innate immunity of lung epithelial cells. What this study adds Activation of innate immunity in lung epithelial cells attenuates the allergic responsiveness of mice. Synergistic cooperation of pattern recognition receptors induces stronger immunomodulatory responses What is the clinical significance Aerosolized Toll-like Receptor agonists have been demonstrated as safe in human clinical trials This study provides proof-of-principle that aerosolized toll-like receptor agonists could have clinical efficacy in the setting of the allergen immunotherapy

ABSTRACT The lung epithelium forms the first barrier against respiratory pathogens and noxious chemicals; however, little is known about how >90% of this barrier – made of alveolar type 1 (AT1) cells – responds to injury, in contrast to our accumulating knowledge of epithelial progenitor and stem cells whose importance lies in their ability to restore the barrier. Using Sendai virus to model natural infection in mice, we combine 3D imaging, lineage-tracing, and single-cell genomics to show that AT1 cells have an intermediary role by persisting in areas depleted of alveolar type 2 (AT2) cells, mounting an interferon response, and receding from invading airway cells. Sendai virus infection mobilizes airway cells to form alveolar SOX2+ clusters without differentiating into AT1 or AT2 cells, as shown in influenza models. Intriguingly, large AT2-cell-depleted areas remain covered by AT1 cells, which we name “AT2-less regions”, and are replaced by SOX2+ clusters spreading both basally and luminally around AT1 cell extensions. AT2 cell proliferation and differentiation are largely confined to topologically distal regions – the end of airspace that could be in the periphery or middle of the lung – and form de novo alveolar surface, with limited contribution to in situ repair of AT2-less regions. Time course single-cell RNA-seq and AT1-cell interactome analyses suggest enhanced recognition of AT1 cells by immune cells and altered growth signals. Our comprehensive spatiotemporal and genome-wide study highlights the hitherto unappreciated role of AT1 cells during Sendai virus infection and possibly other injury-repair processes.

Viral pneumonias remain a global health threat necessitating novel strategies to prevent and treat these lower respiratory tract infections. We have reported that mice treated with a combination of inhaled Toll-like receptor (TLR) 2/6 and TLR 9 agonists (Pam2-ODN) are broadly protected against respiratory pathogens. Although a single inhalation of Pam-ODN prevents acute morbidity and chronic complications associated with viral pneumonias, the mechanisms underlying this protection remain incompletely elucidated. Here, we show in a lethal paramyxovirus model that Pam2-ODN-enhanced survival is associated with robust virus inactivation that occurs prior to internalization by lung epithelial cells. However, it was also noted that viral mortality in sham-treated mice temporally corresponded with CD8+ T cell-enriched lung inflammation that peaks after the viral burden wanes. Pam2-ODN treatment also blocked this injurious inflammation, but the attenuation of lymphocytic inflammation and the reduction in virus burden were both lost when inducible reactive oxygen species generation was inhibited. Depleting CD8+ T cells before or after viral challenge underscored the balanced roles of CD8+ T cells in antiviral immunity and fatal immunopathology, but did not obviate the Pam2-ODN antiviral protection. These findings identify multifunctional inducible antiviral mechanisms and may reveal means to protect susceptible individuals against respiratory infections.