In innate immune responses, activation of Toll-like receptors (TLRs) triggers direct antimicrobial activity against intracellular bacteria, which in murine, but not human, monocytes and macrophages is mediated principally by nitric oxide. We report here that TLR activation of human macrophages up-regulated expression of the vitamin D receptor and the vitamin D-1–hydroxylase genes, leading to induction of the antimicrobial peptide cathelicidin and killing of intracellular Mycobacterium tuberculosis . We also observed that sera from African-American individuals, known to have increased susceptibility to tuberculosis, had low 25-hydroxyvitamin D and were inefficient in supporting cathelicidin messenger RNA induction. These data support a link between TLRs and vitamin D–mediated innate immunity and suggest that differences in ability of human populations to produce vitamin D may contribute to susceptibility to microbial infection.

The generation of cell-mediated immunity against many infectious pathogens involves the production of interleukin-12 (IL-12), a key signal of the innate immune system. Yet, for many pathogens, the molecules that induce IL-12 production by macrophages and the mechanisms by which they do so remain undefined. Here it is shown that microbial lipoproteins are potent stimulators of IL-12 production by human macrophages, and that induction is mediated by Toll-like receptors (TLRs). Several lipoproteins stimulated TLR-dependent transcription of inducible nitric oxide synthase and the production of nitric oxide, a powerful microbicidal pathway. Activation of TLRs by microbial lipoproteins may initiate innate defense mechanisms against infectious pathogens.

One of the factors that contributes to the pathogenesis of acne is Propionibacterium acnes; yet, the molecular mechanism by which P. acnes induces inflammation is not known. Recent studies have demonstrated that microbial agents trigger cytokine responses via Toll-like receptors (TLRs). We investigated whether TLR2 mediates P. acnes-induced cytokine production in acne. Transfection of TLR2 into a nonresponsive cell line was sufficient for NF-kappa B activation in response to P. acnes. In addition, peritoneal macrophages from wild-type, TLR6 knockout, and TLR1 knockout mice, but not TLR2 knockout mice, produced IL-6 in response to P. acnes. P. acnes also induced activation of IL-12 p40 promoter activity via TLR2. Furthermore, P. acnes induced IL-12 and IL-8 protein production by primary human monocytes and this cytokine production was inhibited by anti-TLR2 blocking Ab. Finally, in acne lesions, TLR2 was expressed on the cell surface of macrophages surrounding pilosebaceous follicles. These data suggest that P. acnes triggers inflammatory cytokine responses in acne by activation of TLR2. As such, TLR2 may provide a novel target for treatment of this common skin disease.

Control of tuberculosis worldwide depends on our understanding of human immune mechanisms, which combat the infection. Acquired T cell responses are critical for host defense against microbial pathogens, yet the mechanisms by which they act in humans remain unclear. We report that T cells, by the release of interferon-γ (IFN-γ), induce autophagy, phagosomal maturation, the production of antimicrobial peptides such as cathelicidin, and antimicrobial activity against Mycobacterium tuberculosis in human macrophages via a vitamin D-dependent pathway. IFN-γ induced the antimicrobial pathway in human macrophages cultured in vitamin D-sufficient sera, but not in sera from African-Americans that have lower amounts of vitamin D and who are more susceptible to tuberculosis. In vitro supplementation of vitamin D-deficient serum with 25-hydroxyvitamin D3 restored IFN-γ-induced antimicrobial peptide expression, autophagy, phagosome-lysosome fusion, and antimicrobial activity. These results suggest a mechanism in which vitamin D is required for acquired immunity to overcome the ability of intracellular pathogens to evade macrophage-mediated antimicrobial responses. The present findings underscore the importance of adequate amounts of vitamin D in all human populations for sustaining both innate and acquired immunity against infection.

Leprosy enables investigation of mechanisms by which the innate immune system contributes to host defense against infection, because in one form, the disease progresses, and in the other, the infection is limited. We report that Toll-like receptor (TLR) activation of human monocytes induces rapid differentiation into two distinct subsets: DC-SIGN+ CD16+ macrophages and CD1b+ DC-SIGN− dendritic cells. DC-SIGN+ phagocytic macrophages were expanded by TLR-mediated upregulation of interleukin (IL)-15 and IL-15 receptor. CD1b+ dendritic cells were expanded by TLR-mediated upregulation of granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) and its receptor, promoted T cell activation and secreted proinflammatory cytokines. Whereas DC-SIGN+ macrophages were detected in lesions and after TLR activation in all leprosy patients, CD1b+ dendritic cells were not detected in lesions or after TLR activation of peripheral monocytes in individuals with the progressive lepromatous form, except during reversal reactions in which bacilli were cleared by T helper type 1 (TH1) responses. In tuberculoid lepromatous lesions, DC-SIGN+ cells were positive for macrophage markers, but negative for dendritic cell markers. Thus, TLR-induced differentiation of monocytes into either macrophages or dendritic cells seems to crucially influence effective host defenses in human infectious disease.

Interfering with Interferons Infections with Mycobacteria, including Mycobacterium leprae or M. tuberculosis , vary substantially in their clinical presentation. For instance, in some cases of M. leprae , the infection is self-healing with very few lesions. In contrast, some people experience the disseminated form, where skin lesions abound and bacteria are abundant. In patients infected with M. leprae , Teles et al. (p. 1448 , published online 28 February) found that the disseminated disease associates with a type I interferon gene signature, whereas the self-healing form associates with a type II interferon gene signature. In cultured cells, type I interferon and its downstream signaling cascade inhibited the antimicrobial response induced by type II interferons, providing a potential explanation for why robust disease rather than protection is seen in some cases of infection.