A BLUEPRINT of immune cell development To determine the epigenetic mechanisms that direct blood cells to develop into the many components of our immune system, the BLUEPRINT consortium examined the regulation of DNA and RNA transcription to dissect the molecular traits that govern blood cell differentiation. By inducing immune responses, Saeed et al. document the epigenetic changes in the genome that underlie immune cell differentiation. Cheng et al. demonstrate that trained monocytes are highly dependent on the breakdown of sugars in the presence of oxygen, which allows cells to produce the energy needed to mount an immune response. Chen et al. examine RNA transcripts and find that specific cell lineages use RNA transcripts of different length and composition (isoforms) to form proteins. Together, the studies reveal how epigenetic effects can drive the development of blood cells involved in the immune system. Science , this issue 10.1126/science.1251086 , 10.1126/science.1250684 , 10.1126/science.1251033

WebTreatment of lipopolysaccharide-activated macrophages with the cell-permeable itaconate derivative 4-octyl itaconate activates the anti-inflammatory transcription factor Nrf2 by alkylating key cysteine residues on the KEAP1 protein. Macrophages are white blood cells that recognize and destroy invading bacterial pathogens, and later tone down inflammation to enable tissue repair. The endogenous metabolite itaconate inhibits a number of inflammatory cytokines during macrophage activation. Luke O'Neill and colleagues investigate the mechanism underlying this process. Treatment of lipopolysaccharide (LPS)-activated macrophages with the cell-permeable itaconate derivative 4-octyl itaconate activates the anti-oxidant and anti-inflammatory transcription factor Nrf2. This activation occurs via alkylation of key cysteine residues on the KEAP1 protein, which blocks KEAP1-dependent proteolysis of Nrf2. Pre-treating mouse models of LPS with the itaconate derivative activates Nrf2 and prolongs the survival of the animals after a lethal dose of LPS. The authors suggest that itaconate derivatives may prove useful in the treatment of inflammatory diseases. The endogenous metabolite itaconate has recently emerged as a regulator of macrophage function, but its precise mechanism of action remains poorly understood1,2,3. Here we show that itaconate is required for the activation of the anti-inflammatory transcription factor Nrf2 (also known as NFE2L2) by lipopolysaccharide in mouse and human macrophages. We find that itaconate directly modifies proteins via alkylation of cysteine residues. Itaconate alkylates cysteine residues 151, 257, 288, 273 and 297 on the protein KEAP1, enabling Nrf2 to increase the expression of downstream genes with anti-oxidant and anti-inflammatory capacities. The activation of Nrf2 is required for the anti-inflammatory action of itaconate. We describe the use of a new cell-permeable itaconate derivative, 4-octyl itaconate, which is protective against lipopolysaccharide-induced lethality in vivo and decreases cytokine production. We show that type I interferons boost the expression of Irg1 (also known as Acod1) and itaconate production. Furthermore, we find that itaconate production limits the type I interferon response, indicating a negative feedback loop that involves interferons and itaconate. Our findings demonstrate that itaconate is a crucial anti-inflammatory metabolite that acts via Nrf2 to limit inflammation and modulate type I interferons.

Pancreatic islets in type 2 diabetes show characteristic deposition of the amyloid polypeptide IAPP. O'Neill and colleagues show that IAPP induces IL-1β production via the NLRP3 inflammasome, which leads to beta-cell destruction. Interleukin 1β (IL-1β) is an important inflammatory mediator of type 2 diabetes. Here we show that oligomers of islet amyloid polypeptide (IAPP), a protein that forms amyloid deposits in the pancreas during type 2 diabetes, triggered the NLRP3 inflammasome and generated mature IL-1β. One therapy for type 2 diabetes, glyburide, suppressed IAPP-mediated IL-1β production in vitro. Processing of IL-1β initiated by IAPP first required priming, a process that involved glucose metabolism and was facilitated by minimally oxidized low-density lipoprotein. Finally, mice transgenic for human IAPP had more IL-1β in pancreatic islets, which localized together with amyloid and macrophages. Our findings identify previously unknown mechanisms in the pathogenesis of type 2 diabetes and treatment of pathology caused by IAPP.

Summary

 Macrophages activated by the TLR4 agonist LPS undergo dramatic changes in their metabolic activity. We here show that LPS induces expression of the key metabolic regulator Pyruvate Kinase M2 (PKM2). Activation of PKM2 using two well-characterized small molecules, DASA-58 and TEPP-46, inhibited LPS-induced Hif-1α and IL-1β, as well as the expression of a range of other Hif-1α-dependent genes. Activation of PKM2 attenuated an LPS-induced proinflammatory M1 macrophage phenotype while promoting traits typical of an M2 macrophage. We show that LPS-induced PKM2 enters into a complex with Hif-1α, which can directly bind to the IL-1β promoter, an event that is inhibited by activation of PKM2. Both compounds inhibited LPS-induced glycolytic reprogramming and succinate production. Finally, activation of PKM2 by TEPP-46 in vivo inhibited LPS and Salmonella typhimurium-induced IL-1β production, while boosting production of IL-10. PKM2 is therefore a critical determinant of macrophage activation by LPS, promoting the inflammatory response.

A New Linc in Innate Immunity Long noncoding RNAs (lncRNAs) have recently emerged as important regulators of gene expression in a wide variety of biological processes, although specific roles for these molecules in the immune system have not been described. Carpenter et al. (p. 789 , published online 1 August) now define the function of one such lncRNA in the immune system, lincRNA-Cox2. Whole-transcriptome profiling revealed that lincRNA-Cox2 was induced in mouse macrophages in response to activation of Toll-like receptors—molecules that detect microbes and alert the immune system to respond. LincRNA-Cox2 both positively and negatively regulated the expression of distinct groups of inflammatory genes. Negative regulation of gene expression was mediated by lincRNA-Cox interaction with heterogeneous nuclear ribonucleoprotein A/B and A2/B1.

Significant advances in our understanding of innate immunity have been made following the identification of three families of pathogen sensors: Toll-like receptors (TLRs), NOD-like receptors (NLRs) and RIG-I-like receptors (RLRs). Members of the TLR family recognize bacteria, viruses, fungi and protozoa; NLRs with known functions detect bacteria, and RLRs are anti-viral. It is likely that interplay between these families ensures the efficient co-ordination of innate immune responses, through either synergistic or co-operative signalling. Important interactions occur between TLRs and certain NLRs for inducing the pro-inflammatory cytokine interleukin (IL)-1β. TLRs induce pro-IL-1β production and prime NLR-containing multi-protein complexes, termed ‘inflammasomes’, to respond to bacterial products and products of damaged cells. This results in caspase-1 activation and the subsequent processing of pro-IL-1β to its active form. In this article, we hypothesize that during the first phase of the host response to infection, an important interplay occurs between these families, providing a substantial combinatorial repertoire in innate immunity. Significant advances in our understanding of innate immunity have been made following the identification of three families of pathogen sensors: Toll-like receptors (TLRs), NOD-like receptors (NLRs) and RIG-I-like receptors (RLRs). Members of the TLR family recognize bacteria, viruses, fungi and protozoa; NLRs with known functions detect bacteria, and RLRs are anti-viral. It is likely that interplay between these families ensures the efficient co-ordination of innate immune responses, through either synergistic or co-operative signalling. Important interactions occur between TLRs and certain NLRs for inducing the pro-inflammatory cytokine interleukin (IL)-1β. TLRs induce pro-IL-1β production and prime NLR-containing multi-protein complexes, termed ‘inflammasomes’, to respond to bacterial products and products of damaged cells. This results in caspase-1 activation and the subsequent processing of pro-IL-1β to its active form. In this article, we hypothesize that during the first phase of the host response to infection, an important interplay occurs between these families, providing a substantial combinatorial repertoire in innate immunity.