Toll-like receptors (TLRs) and the downstream adaptor molecule myeloid differentiation factor 88 (MyD88) play an essential role in the innate immune responses. Here, we demonstrate that genetic deficiency of TLR4 or MyD88 is associated with a significant reduction of aortic plaque areas in atherosclerosis-prone apolipoprotein E-deficient mice, despite persistent hypercholesterolemia, implying an important role for the innate immune system in atherogenesis. Apolipoprotein E-deficient mice that also lacked TLR4 or MyD88 demonstrated reduced aortic atherosclerosis that was associated with reductions in circulating levels of proinflammatory cytokines IL-12 or monocyte chemoattractant protein 1, plaque lipid content, numbers of macrophage, and cyclooxygenase 2 immunoreactivity in their plaques. Endothelial-leukocyte adhesion in response to minimally modified low-density lipoprotein was reduced in aortic endothelial cells derived from MyD88-deficient mice. Taken together, our results suggest an important role for TLR4 and MyD88 signaling in atherosclerosis in a hypercholesterolemic mouse model, providing a pathophysiologic link between innate immunity, inflammation, and atherogenesis.

Inflammatory bowel disease (IBD) arises from a dysregulated mucosal immune response to luminal bacteria. Toll-like receptor (TLR)4 recognizes LPS and transduces a proinflammatory signal through the adapter molecule myeloid differentiation marker 88 (MyD88). We hypothesized that TLR4 participates in the innate immune response to luminal bacteria and the development of colitis. TLR4−/− and MyD88−/− mice and littermate controls were given 2.5% dextran sodium sulfate (DSS) for 5 or 7 days followed by a 7-day recovery. Colitis was assessed by weight loss, rectal bleeding, and histopathology. Immunostaining was performed for macrophage markers, chemokine expression, and cell proliferation markers. DSS treatment of TLR4−/− mice was associated with striking reduction in acute inflammatory cells compared with wild-type mice despite similar degrees of epithelial injury. TLR4−/− mice experienced earlier and more severe bleeding than control mice. Similar results were seen with MyD88−/− mice, suggesting that this is the dominant downstream pathway. Mesenteric lymph nodes from TLR4−/− and MyD88−/− mice more frequently grew gram-negative bacteria. Altered neutrophil recruitment was due to diminished macrophage inflammatory protein-2 expression by lamina propria macrophages in TLR4−/− and MyD88−/− mice. The similarity in crypt epithelial damage between TLR4−/− or MyD88−/− and wild-type mice was seen despite decreased epithelial proliferation in knockout mice. TLR4 through the adapter molecule MyD88 is important in intestinal response to injury and in limiting bacterial translocation. Despite the diversity of luminal bacteria, other TLRs do not substitute for the role of TLR4 in this acute colitis model. A defective innate immune response may result in diminished bacterial clearance and ultimately dysregulated response to normal flora.

Abstract Intestinal epithelial cells (IEC) interact with a high density of Gram-positive bacteria and are active participants in mucosal immune responses. Recognition of Gram-positive organisms by Toll-like receptor (TLR)2 induces proinflammatory gene expression by diverse cells. We hypothesized that IEC are unresponsive to Gram-positive pathogen-associated molecular patterns and sought to characterize the functional responses of IEC to TLR2-specific ligands. Human colonic epithelial cells isolated by laser capture microscopy and IEC lines (Caco-2, T84, HT-29) were analyzed for expression of TLR2, TLR6, TLR1, and Toll inhibitory protein (Tollip) mRNA by RT-PCR and quantitative real-time PCR. Response to Gram-positive bacterial ligands was measured by NF-κB reporter gene activation and IL-8 secretion. TLR2 protein expression was analyzed by immunofluorescence and flow cytometry. Colonic epithelial cells and lamina propria cells from both uninflamed and inflamed tissue demonstrate low expression of TLR2 mRNA compared with THP-1 monocytes. IECs were unresponsive to TLR2 ligands including the staphylococcal-derived Ags phenol soluble modulin, peptidoglycan, and lipotechoic acid and the mycobacterial-derived Ag soluble tuberculosis factor. Transgenic expression of TLR2 and TLR6 restored responsiveness to phenol soluble modulin and peptidoglycan in IEC. In addition to low levels of TLR2 protein expression, IEC also express high levels of the inhibitory molecule Tollip. We conclude that IEC are broadly unresponsive to TLR2 ligands secondary to deficient expression of TLR2 and TLR6. The relative absence of TLR2 protein expression by IEC and high level of Tollip expression may be important in preventing chronic proinflammatory cytokine secretion in response to commensal Gram-positive bacteria in the gut.

Abstract Active inflammation and NF-κB activation contribute fundamentally to atherogenesis and plaque disruption. Accumulating evidence has implicated specific infectious agents including Chlamydia pneumoniae in the progression of atherogenesis. Chlamydial heat shock protein 60 (cHSP60) has been implicated in the induction of deleterious immune responses in human chlamydial infections and has been found to colocalize with infiltrating macrophages in atheroma lesions. cHSP60 might stimulate, enhance, and maintain innate immune and inflammatory responses and contribute to atherogenesis. In this study, we investigated the signaling mechanism of cHSP60. Recombinant cHSP60 rapidly activated NF-κB in human microvascular endothelial cells (EC) and in mouse macrophages, and induced human IL-8 promoter activity in EC. The inflammatory effect of cHSP60 was heat labile, thus excluding a role of contaminating LPS, and was blocked by specific anti-chlamydial HSP60 mAb. In human vascular EC which express Toll-like receptor 4 (TLR4) mRNA and protein, nonsignaling TLR4 constructs that act as dominant negative blocked cHSP60-mediated NF-κB activation. Furthermore, an anti-TLR4 Ab abolished cHSP60-induced cellular activation, whereas a control Ab had no effect. In 293 cells, cHSP60-mediated NF-κB activation required both TLR4 and MD2. A dominant-negative MyD88 construct also inhibited cHSP60-induced NF-κB activation. Collectively, our results indicate that cHSP60 is a potent inducer of vascular EC and macrophage inflammatory responses, which are very relevant to atherogenesis. The inflammatory effects are mediated through the innate immune receptor complex TLR4-MD2 and proceeds via the MyD88-dependent signaling pathway. These findings may help elucidate the mechanisms by which chronic asymptomatic chlamydial infection contribute to atherogenesis.

Abstract The intestinal epithelium serves as a barrier to the intestinal flora. In response to pathogens, intestinal epithelial cells (IEC) secrete proinflammatory cytokines. To aid in defense against bacteria, IEC also secrete antimicrobial peptides, termed defensins. The aim of our studies was to understand the role of TLR signaling in regulation of β-defensin expression by IEC. The effect of LPS and peptidoglycan on β-defensin-2 expression was examined in IEC lines constitutively or transgenically expressing TLRs. Regulation of β-defensin-2 was assessed using promoter-reporter constructs of the human β-defensin-2 gene. LPS and peptidoglycan stimulated β-defensin-2 promoter activation in a TLR4- and TLR2-dependent manner, respectively. A mutation in the NF-κB or AP-1 site within the β-defensin-2 promoter abrogated this response. In addition, inhibition of Jun kinase prevents up-regulation of β-defensin-2 protein expression in response to LPS. IEC respond to pathogen-associated molecular patterns with expression of the antimicrobial peptide β-defensin-2. This mechanism may protect the intestinal epithelium from pathogen invasion and from potential invaders among the commensal flora.

Background Glioblastoma multiforme (GBM) is the most aggressive primary brain tumor that carries a 5-y survival rate of 5%. Attempts at eliciting a clinically relevant anti-GBM immune response in brain tumor patients have met with limited success, which is due to brain immune privilege, tumor immune evasion, and a paucity of dendritic cells (DCs) within the central nervous system. Herein we uncovered a novel pathway for the activation of an effective anti-GBM immune response mediated by high-mobility-group box 1 (HMGB1), an alarmin protein released from dying tumor cells, which acts as an endogenous ligand for Toll-like receptor 2 (TLR2) signaling on bone marrow-derived GBM-infiltrating DCs. Methods and Findings Using a combined immunotherapy/conditional cytotoxic approach that utilizes adenoviral vectors (Ad) expressing Fms-like tyrosine kinase 3 ligand (Flt3L) and thymidine kinase (TK) delivered into the tumor mass, we demonstrated that CD4+ and CD8+ T cells were required for tumor regression and immunological memory. Increased numbers of bone marrow-derived, tumor-infiltrating myeloid DCs (mDCs) were observed in response to the therapy. Infiltration of mDCs into the GBM, clonal expansion of antitumor T cells, and induction of an effective anti-GBM immune response were TLR2 dependent. We then proceeded to identify the endogenous ligand responsible for TLR2 signaling on tumor-infiltrating mDCs. We demonstrated that HMGB1 was released from dying tumor cells, in response to Ad-TK (+ gancyclovir [GCV]) treatment. Increased levels of HMGB1 were also detected in the serum of tumor-bearing Ad-Flt3L/Ad-TK (+GCV)-treated mice. Specific activation of TLR2 signaling was induced by supernatants from Ad-TK (+GCV)-treated GBM cells; this activation was blocked by glycyrrhizin (a specific HMGB1 inhibitor) or with antibodies to HMGB1. HMGB1 was also released from melanoma, small cell lung carcinoma, and glioma cells treated with radiation or temozolomide. Administration of either glycyrrhizin or anti-HMGB1 immunoglobulins to tumor-bearing Ad-Flt3L and Ad-TK treated mice, abolished therapeutic efficacy, highlighting the critical role played by HMGB1-mediated TLR2 signaling to elicit tumor regression. Therapeutic efficacy of Ad-Flt3L and Ad-TK (+GCV) treatment was demonstrated in a second glioma model and in an intracranial melanoma model with concomitant increases in the levels of circulating HMGB1. Conclusions Our data provide evidence for the molecular and cellular mechanisms that support the rationale for the clinical implementation of antibrain cancer immunotherapies in combination with tumor killing approaches in order to elicit effective antitumor immune responses, and thus, will impact clinical neuro-oncology practice.

Inflammatory bowel disease (IBD) is characterized by alterations in the intestinal microbiota and altered immune responses to gut microbiota. Evidence is accumulating that IBD is influenced by not only commensal bacteria but also commensal fungi. We characterized fungi directly associated with the intestinal mucosa in healthy people and Crohn's disease patients and identified fungi specifically abundant in patients. One of these, the common skin resident fungus Malassezia restricta, is also linked to the presence of an IBD-associated polymorphism in the gene for CARD9, a signaling adaptor important for anti-fungal defense. M. restricta elicits innate inflammatory responses largely through CARD9 and is recognized by Crohn's disease patient anti-fungal antibodies. This yeast elicits strong inflammatory cytokine production from innate cells harboring the IBD-linked polymorphism in CARD9 and exacerbates colitis via CARD9 in mouse models of disease. Collectively, these results suggest that targeting specific commensal fungi may be a therapeutic strategy for IBD.