Inosine modulates antitumor immunity Checkpoint blockade immunotherapy harnesses the immune system to kill cancer cells and has been used with great success to treat certain tumors, but not all cancer patients respond. The efficacy of checkpoint blockade immunotherapy has been shown to depend on the presence of distinct, beneficial bacteria residing in the gut of patients, but how the microbiome mediates such beneficial effects is unclear. Mager et al. found that specific bacteria produce a metabolite called inosine that enhances the effect of checkpoint blockade immunotherapy (see the Perspective by Shaikh and Sears). In mouse models, inosine, together with proinflammatory stimuli and immunotherapy, strongly enhanced the antitumor capacities of T cells in multiple tumor types, including colorectal cancer, bladder cancer, and melanoma. Science , this issue p. 1481 ; see also p. 1427

Mammals harbor a dense commensal microbiota in the colon. Regulatory T (Treg) cells are known to limit microbe-triggered intestinal inflammation and the CD4+ T cell compartment is shaped by the presence of particular microbes or bacterial compounds. It is, however, difficult to distinguish whether these effects reflect true mutualistic immune adaptation to intestinal colonization or rather idiosyncratic immune responses. To investigate truly mutualistic CD4+ T cell adaptation, we used the altered Schaedler flora (ASF). Intestinal colonization resulted in activation and de novo generation of colonic Treg cells. Failure to activate Treg cells resulted in the induction of T helper 17 (Th17) and Th1 cell responses, which was reversed by wild-type Treg cells. Efficient Treg cell induction was also required to maintain intestinal homeostasis upon dextran sulfate sodium-mediated damage in the colon. Thus, microbiota colonization-induced Treg cell responses are a fundamental intrinsic mechanism to induce and maintain host-intestinal microbial T cell mutualism.

A Gut Feeling The mammalian gut is colonized by many nonpathogenic, commensal microbes. In order to prevent the body from mounting inappropriate immune responses to these microbes, plasma cells in the gut produce large amounts of immunoglobulin A (IgA) specific for commensal bacteria. Because of the difficulties of uncoupling IgA production from microbial colonization, how commensal bacteria shape the gut IgA response is not well understood. Hapfelmeier et al. (p. 1705 ; see the Perspective by Cerutti ) have now devised a way to get around this problem by developing a reversible system of gut bacterial colonization in mice. Commensal-specific IgA responses were able to persist for long periods of time in the absence of microbial colonization and required the presence of high microbial loads in the gut for their induction. IgA responses upon bacterial reexposure did not resemble the synergistic prime-boost effect seen in classical immunological memory responses but rather exhibited an additive effect that matched the current bacterial content present in the gut. The body thus constantly adapts the commensal-specific immune response to the microbial species present in the gut, which contrasts with the systemic immune response, which persists in the absence of pathogenic microbes.

Microbial exposure following birth profoundly impacts mammalian immune system development. Microbiota alterations are associated with increased incidence of allergic and autoimmune disorders with elevated serum IgE as a hallmark. The previously reported abnormally high serum IgE levels in germ-free mice suggests that immunoregulatory signals from microbiota are required to control basal IgE levels. We report that germ-free mice and those with low-diversity microbiota develop elevated serum IgE levels in early life. B cells in neonatal germ-free mice undergo isotype switching to IgE at mucosal sites in a CD4 T-cell- and IL-4-dependent manner. A critical level of microbial diversity following birth is required in order to inhibit IgE induction. Elevated IgE levels in germ-free mice lead to increased mast-cell-surface-bound IgE and exaggerated oral-induced systemic anaphylaxis. Thus, appropriate intestinal microbial stimuli during early life are critical for inducing an immunoregulatory network that protects from induction of IgE at mucosal sites.

Maintaining Mutual Ignorance Our gut is colonized by trillions of bacteria that do not activate the immune system because of careful compartmentalization. Such compartmentalization means that our immune system is “ignorant” of these microbes and thus it has been proposed that loss of compartmentalization might result in an immune response to the colonizing bacteria. Microorganisms are sensed by cells that express pattern recognition receptors, such as Toll-like receptors, which recognize patterns specific to those microbes. Slack et al. (p. 617 ) show that Toll-like receptor–dependent signaling is required to maintain compartmentalization of bacteria to the gut of mice. In the absence of Toll-dependent signaling, intestinal bacteria disseminated throughout the body and the mice mounted a high-titer antibody response against them. This antibody response was of great functional importance because, despite the loss of systemic ignorance to intestinal microbes, the mice were tolerant of the bacteria. Thus, in the absence of innate immunity, the adaptive immune system can compensate so that host and bacterial mutualism can be maintained.

Abstract The overall composition of the mammalian intestinal microbiota varies between individuals: within each individual there are differences along the length of the intestinal tract related to host nutrition, intestinal motility and secretions. Mucus is a highly regenerative protective lubricant glycoprotein sheet secreted by host intestinal goblet cells; the inner mucus layer is nearly sterile. Here we show that the outer mucus of the large intestine forms a unique microbial niche with distinct communities, including bacteria without specialized mucolytic capability. Bacterial species present in the mucus show differential proliferation and resource utilization compared with the same species in the intestinal lumen, with high recovery of bioavailable iron and consumption of epithelial-derived carbon sources according to their genome-encoded metabolic repertoire. Functional competition for existence in this intimate layer is likely to be a major determinant of microbiota composition and microbial molecular exchange with the host.

Abstract Neutropenia is probably the strongest known predisposition to infection with otherwise harmless environmental or microbiota-derived species. Because initial swarming of neutrophils at the site of infection occurs within minutes, rather than the hours required to induce “emergency granulopoiesis,” the relevance of having high numbers of these cells available at any one time is obvious. We observed that germ-free (GF) animals show delayed clearance of an apathogenic bacterium after systemic challenge. In this article, we show that the size of the bone marrow myeloid cell pool correlates strongly with the complexity of the intestinal microbiota. The effect of colonization can be recapitulated by transferring sterile heat-treated serum from colonized mice into GF wild-type mice. TLR signaling was essential for microbiota-driven myelopoiesis, as microbiota colonization or transferring serum from colonized animals had no effect in GF MyD88−/−TICAM1−/− mice. Amplification of myelopoiesis occurred in the absence of microbiota-specific IgG production. Thus, very low concentrations of microbial Ags and TLR ligands, well below the threshold required for induction of adaptive immunity, sets the bone marrow myeloid cell pool size. Coevolution of mammals with their microbiota has probably led to a reliance on microbiota-derived signals to provide tonic stimulation to the systemic innate immune system and to maintain vigilance to infection. This suggests that microbiota changes observed in dysbiosis, obesity, or antibiotic therapy may affect the cross talk between hematopoiesis and the microbiota, potentially exacerbating inflammatory or infectious states in the host.

Peptide mimicry breaks the heart Myocarditis, a prolonged chronic inflammation of heart muscle, can eventually progress to inflammatory cardiomyopathy, a serious condition associated with heart failure. Activated T helper (T H ) cells that recognize myosin heavy chain 6–derived peptides are thought to play a central role in this pathogenesis. Using a mouse model of myocarditis, Gil-Cruz et al. found that cardiac myosin–reactive T H cells are initially primed by myosin-peptide mimics derived from commensal Bacteroides species in the gut (see the Perspective by Epelman). Unlike heathy controls, human myocarditis patients also showed detectable immune reactivity to both Bacteroides and cardiac myosin antigens. Treatment with antibiotics dampened inflammatory responses and prevented lethal heart disease. Science , this issue p. 881 ; see also p. 806

Cancer is a leading cause of death globally. Checkpoint blockade therapies offer a promising treatment for many cancers, but have been ineffective for colorectal cancers. Previous studies have shown a dependency of immunotherapies on the microbiota. Consequently, we hypothesized that specific gut bacteria promote immunotherapy for colorectal cancer. We identify three commensal bacteria and a microbial metabolite, inosine, that enhance the efficacy of immune checkpoint blockade therapy in colorectal cancer. We show that inosine interacts with the adenosine A2A receptor on T cells resulting in intestinal Th1 cell differentiation. Decreased gut barrier function induced by immunotherapy increased the translocation of bacterial metabolites and promoted cancer protective Th1 cell activation. This microbial-metabolite-immune circuit provides a mechanism for a new class of bacteria-enhanced checkpoint blockade therapies. The efficacy of this mechanism differs among colorectal cancer subtypes and highlights the strengths as well as potential limitations of this novel bacterial co-therapy for cancer.