Abstract Acute cigarette smoke exposure of the airways (two cigarettes twice daily for three days) induces acute inflammation in mice. In this study, we show that airway inflammation is dependent on Toll-like receptor 4 and IL-1R1 signaling. Cigarette smoke induced a significant recruitment of neutrophils in the bronchoalveolar space and pulmonary parenchyma, which was reduced in TLR4-, MyD88-, and IL-1R1-deficient mice. Diminished neutrophil influx was associated with reduced IL-1, IL-6, and keratinocyte-derived chemokine levels and matrix metalloproteinase-9 activity in the bronchoalveolar space. Further, cigarette smoke condensate (CSC) induced a macrophage proinflammatory response in vitro, which was dependent on MyD88, IL-1R1, and TLR4 signaling, but not attributable to LPS. Heat shock protein 70, a known TLR4 agonist, was induced in the airways upon smoke exposure, which probably activates the innate immune system via TLR4/MyD88, resulting in airway inflammation. CSC-activated macrophages released mature IL-1β only in presence of ATP, whereas CSC alone promoted the TLR4/MyD88 signaling dependent production of IL-1α and pro-IL-1β implicating cooperation between TLRs and the inflammasome. In conclusion, acute cigarette exposure results in LPS-independent TLR4 activation, leading to IL-1 production and IL-1R1 signaling, which is crucial for cigarette smoke induced inflammation leading to chronic obstructive pulmonary disease with emphysema.

MyD88, the common adapter involved in TLR, IL-1, and IL-18 receptor signaling, is essential for the control of acute Mycobacterium tuberculosis (MTB) infection. Although TLR2, TLR4, and TLR9 have been implicated in the response to mycobacteria, gene disruption for these TLRs impairs only the long-term control of MTB infection. Here, we addressed the respective role of IL-1 and IL-18 receptor pathways in the MyD88-dependent control of acute MTB infection. Mice deficient for IL-1R1, IL-18R, or Toll-IL-1R domain-containing adaptor protein (TIRAP) were compared with MyD88-deficient mice in an acute model of aerogenic MTB infection. Although primary MyD88-deficient macrophages and dendritic cells were defective in cytokine production in response to mycobacterial stimulation, IL-1R1-deficient macrophages exhibited only a reduced IL-12p40 secretion with unaffected TNF, IL-6, and NO production and up-regulation of costimulatory molecules CD40 and CD86. Aerogenic MTB infection of IL-1R1-deficient mice was lethal within 4 wk with 2-log higher bacterial load in the lung and necrotic pneumonia but efficient pulmonary CD4 and CD8 T cell responses, as seen in MyD88-deficient mice. Mice deficient for IL-18R or TIRAP controlled acute MTB infection. These data demonstrate that absence of IL-1R signal leads to a dramatic defect of early control of MTB infection similar to that seen in the absence of MyD88, whereas IL-18R and TIRAP are dispensable, and that IL-1, together with IL-1-induced innate response, might account for most of MyD88-dependent host response to control acute MTB infection.

Abstract Multiple neutrophil death programs contribute to host defense against infections. Although expressing all necessary components, neutrophils specifically fail to undergo pyroptosis, a lytic form of cell death triggered by the activation of the pro-inflammatory complex inflammasome. In the light of the arm race, we hypothesized that intrinsic neutrophil pyroptosis resistance might be bypassed in response to specific microbial species. We show that Pseudomonas aeruginosa ( P. aeruginosa ) stimulates Caspase-1-dependent pyroptosis in human and murine neutrophils. Mechanistically, activated NLRC4 inflammasome supports Caspase-1-driven Gasdermin-D (GSDMD) activation, IL-1β cytokine release and neutrophil pyroptosis. Furthermore, GSDMD activates Peptidyl Arginine Deaminase-4 which drives an “incomplete NETosis” where neutrophil DNA fills the cell cytosol but fails crossing plasma membrane. Finally, we show that neutrophil Caspase-1 account for IL-1β production and contributes to various P. aeruginosa strains spread in mice. Overall, we demonstrate that neutrophils are fully competent for Caspase-1-dependent pyroptosis, which drives an unsuspected “incomplete NETosis”. Summary Neutrophils play an essential roles against infections. Although multiple neutrophil death programs contribute to host defense against infections, they fail to undergo pyroptosis, a pro-inflammatory form of cell death. Upon Infections, pyroptosis can be induced in macrophages or epithelial cells upon activation of pro-inflammatory complexes, inflammasomes that trigger Caspase-1-driven Gasdermin dependent plasma membrane lysis. In the light of host-microbe interactions, we hypothesized that yet to find microbial species might hold the capacity to overcome neutrophil resistance to inflammasome-driven pyroptosis. Among several bacterial species, we describe that the bacterium Pseudomonas aeruginosa specifically engages the NLRC4 inflammasome, which promotes Caspase-1-dependent Gasdermin-D activation and subsequent neutrophil pyroptosis. Furthermore, inflammasome-driven pyroptosis leads to DNA decondensation and expansion into the host cell cytosol but not to the so called Neutrophil Extracellular Trap (NET) release as DNA fails breaching the plasma membrane. Finally, in vivo P. aeruginosa infections highlight that Caspase-1-driven neutrophil pyroptosis is functional and is detrimental upon P. aeruginosa infection. Altogether, our results unexpectedly underline neutrophil competence for Caspase-1-dependent pyroptosis, a process that contributes to host susceptibility to P. aeruginosa infection.

Neutrophils can be beneficial or deleterious during tuberculosis (TB). Based on the expression of MHC-II and programmed death ligand 1 (PD-L1), we distinguished two functionally and transcriptionally distinct neutrophil subsets in the lungs of mice infected with mycobacteria. Inflammatory [MHC-II-, PD-L1 low] neutrophils produced inflammasome-dependent IL-1β in the lungs in response to virulent mycobacteria and ″accelerated″ deleterious inflammation, which was highly exacerbated in IFN-γR-/- mice. Regulatory [MHC-II+, PD-L1 high] neutrophils ″brake″ inflammation by suppressing T-cell proliferation and IFN-γ production. Such beneficial regulation, which depends on PD-L1, is controlled by IFN-γR signaling in neutrophils. The hypervirulent HN878 strain from the Beijing genotype curbed PD-L1 expression by regulatory neutrophils, abolishing the braking function and driving deleterious hyper-inflammation in the lungs. These findings add a layer of complexity to the roles played by neutrophils in TB and may explain the reactivation of this disease observed in cancer patients treated with anti-PD-L1.

ABSTRACT Neutrophils that reside in the bone marrow are switly recruited from circulating blood to fight infections. For a long time, these first line defenders were considered as microbe killers. However their role is far more complex as cross talk with T cells or dendritic cells have been described for human or mouse neutrophils. In cattle, these new roles are not documented yet. We identified a new subset of regulatory neutrophils that is present in the mouse bone marrow or circulate in cattle blood under steady state conditions. These regulatory neutrophils that display MHC-II on the surface are morphologically indistinguishable from classical MHC-II neg neutrophils. However MHC-II pos and MHC-II neg neutrophils display distinct transcriptomic profiles. While MHC-II neg and MHC-II pos neutrophils display similar bacterial phagocytosis or killing activity, MHC-II pos only are able to suppress T cell proliferation under contact-dependent mechanisms. Regulatory neutrophils are highly enriched in lymphoid organs as compared to their MHC-II neg counterparts and in the mouse they express PDL-1, an immune checkpoint involved in T-cell blockade. Our results emphasize neutrophils as true partners of the adaptive immune response, including in domestic species. They open the way for discovery of new biomarkers and therapeutic interventions to better control cattle diseases.

ABSTRACT Tuberculosis exacts a terrible toll on human and animal health. While Mycobacterium tuberculosis (Mtb) is restricted to humans, Mycobacterium bovis (Mb) is present in a large range of mammalian hosts. In cattle, bovine TB (bTB) is a notifiable disease responsible for important economic losses in developed countries and underestimated zoonosis in the developing world. Early interactions that take place between mycobacteria and the lung tissue early after aerosol infection govern the outcome of the disease. In cattle, these early steps remain poorly characterized. The precision-cut lung slice (PCLS) model preserves the structure and cell diversity of the lung. We developed this model in cattle in order to study the early lung response to mycobacterial infection. In situ imaging of PCLS infected with fluorescent Mb revealed bacilli in the alveolar compartment, adjacent or inside alveolar macrophages (AMPs) and in close contact with pneumocytes. We analyzed the global transcriptional lung inflammation signature following infection of PCLS with Mb and Mtb in two French beef breeds: Blonde d’Aquitaine and Charolaise. Whereas lungs from the Blonde d’Aquitaine produced high levels of mediators of neutrophil and monocyte recruitment in response to infection, such signatures were not observed in the Charolaise in our study. In the Blonde d’Aquitaine lung, whereas the inflammatory response was highly induced by two Mb strains, AF2122 isolated from cattle in the UK and Mb3601 circulating in France, the response against two Mtb strains, H37Rv the reference laboratory strain and BTB1558 isolated from zebu in Ethiopia, was very low. Strikingly, the type I interferon pathway was only induced by Mb but not Mtb strains indicating that this pathway may be involved in mycobacterial virulence and host tropism. Hence, the PCLS model in cattle is a valuable tool to deepen our understanding of early interactions between lung host cells and mycobacteria. It revealed striking differences between cattle breeds and mycobacterial strains. This model could help deciphering biomarkers of resistance versus susceptibility to bTB in cattle as such information is still critically needed for bovine genetic selection programs and would greatly help the global effort to eradicate bTB.