Abstract Non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) inhibit cyclooxygenase-1 (COX-1) and COX-2 enzymes. The NLRP3 inflammasome is a multi-protein complex responsible for the processing of the proinflammatory cytokine interleukin-1β and is implicated in many inflammatory diseases. Here we show that several clinically approved and widely used NSAIDs of the fenamate class are effective and selective inhibitors of the NLRP3 inflammasome via inhibition of the volume-regulated anion channel in macrophages, independently of COX enzymes. Flufenamic acid and mefenamic acid are efficacious in NLRP3-dependent rodent models of inflammation in air pouch and peritoneum. We also show therapeutic effects of fenamates using a model of amyloid beta induced memory loss and a transgenic mouse model of Alzheimer’s disease. These data suggest that fenamate NSAIDs could be repurposed as NLRP3 inflammasome inhibitors and Alzheimer’s disease therapeutics.

Interleukin-1β (IL-1β) is a critical regulator of the inflammatory response. IL-1β is not secreted through the conventional ER–Golgi route of protein secretion, and to date its mechanism of release has been unknown. Crucially, its secretion depends upon the processing of a precursor form following the activation of the multimolecular inflammasome complex. Using a novel and reversible pharmacological inhibitor of the IL-1β release process, in combination with biochemical, biophysical, and real-time single-cell confocal microscopy with macrophage cells expressing Venus-labelled IL-1β, we have discovered that the secretion of IL-1β after inflammasome activation requires membrane permeabilisation, and occurs in parallel with the death of the secreting cell. Thus, in macrophages the release of IL-1β in response to inflammasome activation appears to be a secretory process independent of nonspecific leakage of proteins during cell death. The mechanism of membrane permeabilisation leading to IL-1β release is distinct from the unconventional secretory mechanism employed by its structural homologues fibroblast growth factor 2 (FGF2) or IL-1α, a process that involves the formation of membrane pores but does not result in cell death. These discoveries reveal key processes at the initiation of an inflammatory response and deliver new insights into the mechanisms of protein release.

Abstract The mammalian circadian clock exerts substantial control of daily gene expression through cycles of DNA binding. Understanding of mechanisms driving the circadian clock is hampered by lack of quantitative data, without which predictive mathematical models cannot be developed. Here we develop a quantitative understanding of how a finite pool of BMAL1 protein can regulate thousands of target sites over daily time scales. We have used fluorescent correlation spectroscopy (FCS) to track dynamic changes in CRISPR-modified fluorophore-tagged proteins in time and space in single cells across SCN and peripheral tissues. We determine the contribution of multiple rhythmic processes in coordinating BMAL1 DNA binding, including the roles of cycling molecular abundance, binding affinities and two repressive modes of action. We find that nuclear BMAL1 protein numbers determine corresponding nuclear CLOCK concentrations through heterodimerization and define a DNA residence time of 2.6 seconds for this complex. Repression of CLOCK:BMAL1 is in part achieved through rhythmic changes to BMAL1:CRY1 affinity as well as a high affinity interaction between PER2:CRY1 which mediates CLOCK:BMAL1 displacement from DNA. Finally, stochastic modelling of these data reveals a dual role for PER:CRY complexes in which increasing concentrations of PER2:CRY1 promotes removal of BMAL1:CLOCK from genes consequently enhancing ability to move to new target sites.

Abstract Immune cells fine tune their responses to infection and inflammatory cues. Here, using live-cell confocal microscopy and mathematical modelling, we investigate interferon induced JAK-STAT signalling in innate immune macrophages. We demonstrate that transient exposure to IFN-γ stimulation induces a long-term desensitisation of STAT1 signalling and gene expression responses, revealing a dose- and time-dependent regulatory feedback that controls JAK-STAT responses upon re-exposure to stimulus. We show that IFN-α/β1 elicit different level of desensitisation from IFN-γ, where cells refractory to IFN-α/β1 are sensitive to IFN-γ, but not vice versa . We experimentally demonstrate that the underlying feedback mechanism involves regulation of STAT1 phosphorylation but is independent of new mRNA synthesis and cognate receptor expression. A new feedback model of the protein tyrosine phosphatase activity recapitulates experimental data and demonstrates JAK-STAT network’s ability to decode relative changes of dose, timing, and type of temporal interferon stimulation. These findings reveal that STAT desensitisation renders cells with signalling memory of type I and II interferon stimulation, which in the future may improve administration of interferon therapy.

Abstract Pathogens have developed intricate strategies to overcome the host’s innate immune responses. In this paper we use live-cell microscopy with a single bacterium resolution to follow in real time interactions between the food-borne pathogen L. monocytogenes and host macrophages, a key event controlling the infection in vivo . We demonstrate that infection results in heterogeneous outcomes, with only a subset of bacteria able to establish a replicative invasion of macrophages. The fate of individual bacteria in the same host cell was independent from each other and non-cooperative, but a higher multiplicity of infection resulted in a reduced probability of replication. Using internalisation assays and conditional probabilities to mathematically describe the multi-stage invasion process, we demonstrate that the secreted Listeriolysin toxin (LLO) of the PrfA regulon regulates replication probability by compromising the ability to phagocytose bacteria. Using strains expressing fluorescent reporters to follow transcription of either the LLO-encoding hly or actA genes, we show that replicative bacteria exhibited higher PrfA regulon expression in comparison to those bacteria that did not replicate, however elevated PrfA expression per se was not sufficient to increase the probability of replication. Overall, this demonstrates a new role for the population-level, but not single cell PrfA-mediated cooperativity to regulate outcomes of host pathogen interactions. Key points L. monocytogenes invasion of innate immune macrophages results in heterogeneous infection outcomes at the single cell level Fate of individual bacteria in the same host cell is independent from each other and non-cooperative Bacterial populations coordinate host cell uptake via the rate of phagocytosis to reduce internalization at high MOI The PrfA regulon system is necessary but not sufficient for L. monocytogenes replication, but population-level PrfA virulence regulates single cell outcome probability

Pulmonary inflammatory responses lie under circadian control; however the importance of circadian mechanisms in fibrosis is not understood. Here, we identify a striking change to these mechanisms resulting in a gain of amplitude and lack of synchrony within pulmonary fibrotic tissue. These changes result from an infiltration of mesenchymal cells, an important cell type in the pathogenesis of pulmonary fibrosis. Mutation of the core clock protein REVERBα in these cells exacerbated the development of bleomycin-induced fibrosis, whereas mutation of REVERBα in club or myeloid cells had no effect on the bleomycin phenotype. Knockdown of REVERBα revealed regulation of the poorly described transcription factor TBPL1. Both REVERBα and TBPL1 altered integrinβ1 focal adhesion formation, resulting in increased myofibroblast activation. The translational importance of our findings was established through analysis of two human cohorts. In the UK Biobank circadian strain markers (sleep length, chronotype and shift work) are associated with pulmonary fibrosis making them novel risk factors. In a separate cohort REVERBα expression was increased in human idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) lung tissue. Pharmacological targeting of REVERBα inhibited myofibroblast activation in IPF fibroblasts and collagen secretion in organotypic cultures from IPF patients, suggesting targeting REVERBα could be a viable therapeutic approach.

Abstract Ability to adapt to temperature changes trough the Heat Shock Response (HSR) pathways is one of the most fundamental and clinically relevant cellular response systems. Here we report that Heat Shock (HS) induces a temporally-coordinated and stimulus-specific adaptation of the signalling and gene expression responses of the Nuclear Factor κB (NF-κB) transcription factor. We show that exposure of MCF7 breast adenocarcinoma cells to 43°C 1h HS inhibits the immediate signalling response to pro-inflammatory Interleukin 1β (IL1β) and Tumour Necrosis Factor α (TNFα) cytokines. Within 4h after HS treatment IL1β-induced responses return to normal levels, but the recovery of the TNFα-induced responses is delayed. Using siRNA knock-down of Heat Shock Factor 1 and mathematical modelling we show that the stimulus-specificity is conferred via the Inhibitory κB kinase signalosome, with HSR differentially controlling individual cytokine transduction pathways. Finally, using a novel mathematical model we predict and experimentally validate that the HSR cross-talk confers differential cytokine sensitivity of the NF-κB system to a range of physiological and clinically-relevant temperatures. This quantitative understanding of NF-κB and HSR cross-talk mechanisms is fundamentally important for the potential improvement of current hyperthermia protocols.

Abstract Quantification of low abundant membrane-binding proteins such as transcriptional factors and chaperones has been proved difficult even with the most sophisticated analytical technologies. Here we exploit and optimise the non-invasive Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) for quantitation of low abundance proteins and as proof of principle we choose two interacting proteins involved in fission of mitochondria in yeast, Fis1p and Mdv1p. In Saccharomyces cerevisiae the recruitment of Fis1p and Mdv1p to mitochondria is essential for the scission of the organelles and the retention of functional mitochondrial structures in the cell. We used FCS in single, GFP-labelled live yeast cells to quantify the protein abundance in homozygote and heterozygote cells, and to investigate the impact of the environments on protein copy number, bound/unbound protein state and mobility kinetics. Both proteins were observed to localise predominantly at mitochondrial structures with the Mdv1p bound state increasing significantly in a strictly respiratory environment. Moreover, a compensatory mechanism which controls Fis1p abundance upon deletion of one allele was observed in Fis1p but not in Mdv1p, suggesting differential regulation of Fis1p and Mdv1p protein expression.

Abstract Cells respond to inflammatory stimuli such as cytokines by activation of the nuclear factor-κB (NF-κB) signalling pathway, resulting in oscillatory translocation of the transcription factor p65 between nucleus and cytoplasm to mediate immune response. We investigate the relationship between p65 and inhibitor-κBα (IκBα) protein levels and dynamic properties of the system, and how this interaction impacts on the expression of key inflammatory genes. Using bacterial artificial chromosomes, we developed new cell models of IκBα-eGFP protein overexpression in a native genomic context. We find that cells with high levels of the negative regulator IκBα remain responsive to inflammatory stimuli and maintain dynamics for both p65 and IκBα. In contrast, canonical target gene expression is dramatically reduced by overexpression of IκBα, but can be partially rescued by overexpression of p65. Treatment with leptomycin B to promote nuclear accumulation of IκBα also suppresses canonical target gene expression, suggesting a mechanism in which nuclear IκBα accumulation prevents productive p65 interaction with promoter binding sites. This causes reduced target promoter binding and gene transcription, which we validate by chromatin immune precipitation and in primary cells. Overall, we show how inflammatory gene transcription is modulated by the expression levels of both IκBα and p65, and that transcription can be partially decoupled from p65 protein dynamics. This results in an anti-inflammatory effect on transcription, demonstrating a broad mechanism to modulate the strength of inflammatory response.