In 2008 we published the first set of guidelines for standardizing research in autophagy. Since then, research on this topic has continued to accelerate, and many new scientists have entered the field. Our knowledge base and relevant new technologies have also been expanding. Accordingly, it is important to update these guidelines for monitoring autophagy in different organisms. Various reviews have described the range of assays that have been used for this purpose. Nevertheless, there continues to be confusion regarding acceptable methods to measure autophagy, especially in multicellular eukaryotes. For example, a key point that needs to be emphasized is that there is a difference between measurements that monitor the numbers or volume of autophagic elements (e.g., autophagosomes or autolysosomes) at any stage of the autophagic process versus those that measure flux through the autophagy pathway (i.e., the complete process including the amount and rate of cargo sequestered and degraded). In particular, a block in macroautophagy that results in autophagosome accumulation must be differentiated from stimuli that increase autophagic activity, defined as increased autophagy induction coupled with increased delivery to, and degradation within, lysosomes (in most higher eukaryotes and some protists such as Dictyostelium) or the vacuole (in plants and fungi). In other words, it is especially important that investigators new to the field understand that the appearance of more autophagosomes does not necessarily equate with more autophagy. In fact, in many cases, autophagosomes accumulate because of a block in trafficking to lysosomes without a concomitant change in autophagosome biogenesis, whereas an increase in autolysosomes may reflect a reduction in degradative activity. It is worth emphasizing here that lysosomal digestion is a stage of autophagy and evaluating its competence is a crucial part of the evaluation of autophagic flux, or complete autophagy. Here, we present a set of guidelines for the selection and interpretation of methods for use by investigators who aim to examine macroautophagy and related processes, as well as for reviewers who need to provide realistic and reasonable critiques of papers that are focused on these processes. These guidelines are not meant to be a formulaic set of rules, because the appropriate assays depend in part on the question being asked and the system being used. In addition, we emphasize that no individual assay is guaranteed to be the most appropriate one in every situation, and we strongly recommend the use of multiple assays to monitor autophagy. Along these lines, because of the potential for pleiotropic effects due to blocking autophagy through genetic manipulation, it is imperative to target by gene knockout or RNA interference more than one autophagy-related protein. In addition, some individual Atg proteins, or groups of proteins, are involved in other cellular pathways implying that not all Atg proteins can be used as a specific marker for an autophagic process. In these guidelines, we consider these various methods of assessing autophagy and what information can, or cannot, be obtained from them. Finally, by discussing the merits and limits of particular assays, we hope to encourage technical innovation in the field.

Abstract The IL-1 family cytokines are regulated on transcriptional and posttranscriptional levels. Pattern recognition and cytokine receptors control pro-IL-1β transcription whereas inflammasomes regulate the proteolytic processing of pro-IL-1β. The NLRP3 inflammasome, however, assembles in response to extracellular ATP, pore-forming toxins, or crystals only in the presence of proinflammatory stimuli. How the activation of gene transcription by signaling receptors enables NLRP3 activation remains elusive and controversial. In this study, we show that cell priming through multiple signaling receptors induces NLRP3 expression, which we identified to be a critical checkpoint for NLRP3 activation. Signals provided by NF-κB activators are necessary but not sufficient for NLRP3 activation, and a second stimulus such as ATP or crystal-induced damage is required for NLRP3 activation.

Exit of cytochrome c from mitochondria into the cytosol has been implicated as an important step in apoptosis. In the cytosol, cytochrome c binds to the CED-4 homologue, Apaf-1, thereby triggering Apaf-1–mediated activation of caspase-9. Caspase-9 is thought to propagate the death signal by triggering other caspase activation events, the details of which remain obscure. Here, we report that six additional caspases (caspases-2, -3, -6, -7, -8, and -10) are processed in cell-free extracts in response to cytochrome c, and that three others (caspases-1, -4, and -5) failed to be activated under the same conditions. In vitro association assays confirmed that caspase-9 selectively bound to Apaf-1, whereas caspases-1, -2, -3, -6, -7, -8, and -10 did not. Depletion of caspase-9 from cell extracts abrogated cytochrome c–inducible activation of caspases-2, -3, -6, -7, -8, and -10, suggesting that caspase-9 is required for all of these downstream caspase activation events. Immunodepletion of caspases-3, -6, and -7 from cell extracts enabled us to order the sequence of caspase activation events downstream of caspase-9 and reveal the presence of a branched caspase cascade. Caspase-3 is required for the activation of four other caspases (-2, -6, -8, and -10) in this pathway and also participates in a feedback amplification loop involving caspase-9.

Cytoplasmic DNA is an important trigger for the innate immune system. The downstream signalling pathways involved in this process have been extensively characterized, but much less is known about the initial step, the recognition of the DNA. Two groups reporting in this issue of Nature have now identified AIM2 (absent in melanoma 2), a member of the interferon-inducible HIN-200 family, as a cytoplasmic DNA sensor. In the presence of DNA, AIM2 oligermerizes and associates with the adapter molecule ASC to activate NF-κB and caspase-1, key components of the inflammasome complex. This highlights the AIM2 inflammasome as a possible target for the treatment of both infections and autoimmune diseases. In this paper AIM2 is shown to sense cytoplasmic DNA and to interact with ASC in activation of caspase-1. Host- and pathogen-associated cytoplasmic double-stranded DNA triggers the activation of a NALP3 (also known as cryopyrin and NLRP3)-independent inflammasome1, which activates caspase-1 leading to maturation of pro-interleukin-1β and inflammation. The nature of the cytoplasmic-DNA-sensing inflammasome is currently unknown. Here we show that AIM2 (absent in melanoma 2), an interferon-inducible HIN-200 family member that contains an amino-terminal pyrin domain and a carboxy-terminal oligonucleotide/oligosaccharide-binding domain2,3, senses cytoplasmic DNA by means of its oligonucleotide/oligosaccharide-binding domain and interacts with ASC (apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD) through its pyrin domain to activate caspase-1. The interaction of AIM2 with ASC also leads to the formation of the ASC pyroptosome4, which induces pyroptotic cell death in cells containing caspase-1. Knockdown of AIM2 by short interfering RNA reduced inflammasome/pyroptosome activation by cytoplasmic DNA in human and mouse macrophages, whereas stable expression of AIM2 in the non-responsive human embryonic kidney 293T cell line conferred responsiveness to cytoplasmic DNA. Our results show that cytoplasmic DNA triggers formation of the AIM2 inflammasome by inducing AIM2 oligomerization. This study identifies AIM2 as an important inflammasome component that senses potentially dangerous cytoplasmic DNA, leading to activation of the ASC pyroptosome and caspase-1.

Ketone bodies are elevated in response to fasting, a low-carbohydrate ketogenic diet or high-intensity exercise. Vishwa Deep Dixit and colleagues report that one metabolite, β-hydroxybutyrate, inhibits the NLRP3 inflammasome. In vivo, β-hydroxybutyrate is anti-inflammatory and suppresses NLRP3-mediated inflammatory disease. The ketone bodies β-hydroxybutyrate (BHB) and acetoacetate (AcAc) support mammalian survival during states of energy deficit by serving as alternative sources of ATP1. BHB levels are elevated by starvation, caloric restriction, high-intensity exercise, or the low-carbohydrate ketogenic diet2. Prolonged fasting reduces inflammation; however, the impact that ketones and other alternative metabolic fuels produced during energy deficits have on the innate immune response is unknown2,3,4,5,6. We report that BHB, but neither AcAc nor the structurally related short-chain fatty acids butyrate and acetate, suppresses activation of the NLRP3 inflammasome in response to urate crystals, ATP and lipotoxic fatty acids. BHB did not inhibit caspase-1 activation in response to pathogens that activate the NLR family, CARD domain containing 4 (NLRC4) or absent in melanoma 2 (AIM2) inflammasome and did not affect non-canonical caspase-11, inflammasome activation. Mechanistically, BHB inhibits the NLRP3 inflammasome by preventing K+ efflux and reducing ASC oligomerization and speck formation. The inhibitory effects of BHB on NLRP3 are not dependent on chirality or starvation-regulated mechanisms like AMP-activated protein kinase (AMPK), reactive oxygen species (ROS), autophagy or glycolytic inhibition. BHB blocks the NLRP3 inflammasome without undergoing oxidation in the TCA cycle, and independently of uncoupling protein-2 (UCP2), sirtuin-2 (SIRT2), the G protein–coupled receptor GPR109A or hydrocaboxylic acid receptor 2 (HCAR2). BHB reduces NLRP3 inflammasome–mediated interleukin (IL)-1β and IL-18 production in human monocytes. In vivo, BHB or a ketogenic diet attenuates caspase-1 activation and IL-1β secretion in mouse models of NLRP3-mediated diseases such as Muckle–Wells syndrome, familial cold autoinflammatory syndrome and urate crystal–induced peritonitis. Our findings suggest that the anti-inflammatory effects of caloric restriction or ketogenic diets may be linked to BHB-mediated inhibition of the NLRP3 inflammasome.

We have cloned a novel apoptotic gene from human Jurkat T-lymphocytes. The new gene encodes a 32-kDa putative cysteine protease (CPP32) with significant homology to Caenorhabditis elegans cell death protein Ced-3, mammalian interleukin-1 beta-converting enzyme (ICE), and the product of the mouse nedd2 gene. The CPP32 transcript is highly expressed and most abundant in cell lines of lymphocytic origin. Overexpression of CPP32 or ICE in Sf9 insect cells resulted in apoptosis. In addition, coexpression of recombinant p20 and p11 derived from the parental full-length CPP32 sequence resulted in apoptosis in Sf9 cells. Our data suggest that similar to ICE, CPP32 is made of two subunits, p20 and p11, which form the active CPP32 complex. The apoptotic activity of CPP32 and its high expression in lymphocytes suggest that CPP32 is an important mediator of apoptosis in the immune system.

Bcl-2 and related proteins are key regulators of apoptosis or programmed cell death implicated in human disease including cancer. We recently showed that cell-permeable Bcl-2 binding peptides could induce apoptosis of human myeloid leukemia in vitro and suppress its growth in severe combined immunodeficient mice. Here we report the discovery of HA14-1, a small molecule (molecular weight = 409) and nonpeptidic ligand of a Bcl-2 surface pocket, by using a computer screening strategy based on the predicted structure of Bcl-2 protein. In vitro binding studies demonstrated the interaction of HA14-1 with this Bcl-2 surface pocket that is essential for Bcl-2 biological function. HA14-1 effectively induced apoptosis of human acute myeloid leukemia (HL-60) cells overexpressing Bcl-2 protein that was associated with the decrease in mitochondrial membrane potential and activation of caspase-9 followed by caspase-3. Cytokine response modifier A, a potent inhibitor of Fas-mediated apoptosis, did not block apoptosis induced by HA14-1. Whereas HA14-1 strongly induced the death of NIH 3T3 (Apaf-1 +/+ ) cells, it had little apoptotic effect on Apaf-1-deficient (Apaf-1 −/− ) mouse embryonic fibroblast cells. These data are consistent with a mechanism by which HA14-1 induces the activation of Apaf-1 and caspases, possibly by binding to Bcl-2 protein and inhibiting its function. The discovery of this cell-permeable molecule provides a chemical probe to study Bcl-2-regulated apoptotic pathways in vivo and could lead to the development of new therapeutic agents.

Activation of procaspase-9 by Apaf-1 in the cytochrome c/dATP-dependent pathway requires proteolytic cleavage to generate the mature caspase molecule. To elucidate the mechanism of activation of procaspase-9 by Apaf-1, we designed an in vitro Apaf-1-procaspase-9 activation system using recombinant components. Here, we show that deletion of the Apaf-1 WD-40 repeats makes Apaf-1 constitutively active and capable of processing procaspase-9 independent of cytochrome c an dATP. Apaf-1-mediated processing of procaspase-9 occurs at Asp-315 by an intrinsic autocatalytic activity of procaspase-9 itself. We provide evidence that Apaf-1 can form oligomers and may facilitate procaspase-9 autoactivation by oligomerizing its precursor molecules. Once activated, caspase-9 can initiate a caspase cascade involving the downstream executioners caspase-3, -6, and -7.

Apoptosis is a genetically regulated cell suicide programme mediated by activation of the effector caspases 3, 6 and 7. If apoptotic cells are not scavenged, they progress to a lytic and inflammatory phase called secondary necrosis. The mechanism by which this occurs is unknown. Here we show that caspase-3 cleaves the GSDMD-related protein DFNA5 after Asp270 to generate a necrotic DFNA5-N fragment that targets the plasma membrane to induce secondary necrosis/pyroptosis. Cells that express DFNA5 progress to secondary necrosis, when stimulated with apoptotic triggers such as etoposide or vesicular stomatitis virus infection, but disassemble into small apoptotic bodies when DFNA5 is deleted. Our findings identify DFNA5 as a central molecule that regulates apoptotic cell disassembly and progression to secondary necrosis, and provide a molecular mechanism for secondary necrosis. Because DFNA5-induced secondary necrosis and GSDMD-induced pyroptosis are dependent on caspase activation, we propose that they are forms of programmed necrosis. DFNA5 is related to the caspase-dependent pyroptosis inducer gasdermin D. Here the authors find that DFNA5 is cleaved by caspase 3 and show this cleavage skews cells away from apoptosis into secondary necrosis, a form of cell death characterized by membrane ballooning similar to pyroptosis.