The neuropeptide NMU amplifies ILC2-driven allergic lung inflammation

Type 2 innate lymphoid cells (ILC2s) both contribute to mucosal homeostasis and initiate pathologic inflammation in allergic asthma. However, the signals that direct ILC2s to promote homeostasis versus inflammation are unclear. To identify such molecular cues, we profiled mouse lung-resident ILCs using single-cell RNA sequencing at steady state and after in vivo stimulation with the alarmin cytokines IL-25 and IL-33. ILC2s were transcriptionally heterogeneous after activation, with subpopulations distinguished by expression of proliferative, homeostatic and effector genes. The neuropeptide receptor Nmur1 was preferentially expressed by ILC2s at steady state and after IL-25 stimulation. Neuromedin U (NMU), the ligand of NMUR1, activated ILC2s in vitro, and in vivo co-administration of NMU with IL-25 strongly amplified allergic inflammation. Loss of NMU-NMUR1 signalling reduced ILC2 frequency and effector function, and altered transcriptional programs following allergen challenge in vivo. Thus, NMUR1 signalling promotes inflammatory ILC2 responses, highlighting the importance of neuro-immune crosstalk in allergic inflammation at mucosal surfaces

Die Rolle von Neuropeptiden in der Regulation von angeborenen lymphoiden Zellen vom Typ 2 in Atemwegsentzündungen

Asthma is a chronic, inflammatory disease of the airways that often develops in response to allergens and is characterized by coughing and shortness of breath. Although many asthmatics respond to current therapies, a group of patients is treatment-resistant and frequently requires hospital admission, highlighting the need to develop new therapies. Recent research showed that type 2 innate lymphoid cells (ILC2s) play a crucial role in the development of allergic airway inflammation. ILC2s are part of the innate immune system and located at epithelial surfaces, where they promote both barrier integrity and type 2 immune responses to helminths or allergens. After allergen exposure, damaged or stressed epithelial cells release alarmin cytokines to activate ILC2s, however, how ILC2 function is regulated by other pathways has not been well defined. Therefore, the goal of this work was to identify novel pathways that regulate ILC2 responses in airway inflammation. To identify potential novel regulators of ILC2 function, we undertook single-cell RNA-sequencing of lung-resident ILCs isolated from PBS-treated mice or mice with alarmin-induced airway inflammation. Among the genes differentially expressed at steady state versus after alarmin stimulation, we identified several candidates, including a number of neuropeptide receptors. Based on these data, we hypothesized that neuropeptides regulate the function of ILC2s in airway inflammation. Therefore, we selected two of those neuropeptide receptors and investigated whether they can modulate ILC2 responses in vitro and in vivo. One of these receptors, neuromedin U receptor 1 (NMUR1) binds the neuropeptide neuromedin U (NMU) and was expressed by ILC2s and not by other immune cells. NMU synergized with IL-25 to induce more severe airway inflammation than was seen with either IL-25 or NMU alone. Mechanistically, IL-25 + NMU expanded highly proliferative and inflammatory ILC2s and increased expression of the type 2 cytokines IL-5 and IL-13. After allergen challenge, ILC2 frequency and function were reduced in mice lacking NMU or NMUR1. These results indicate that neurons regulate allergic inflammation by promoting ILC2 responses via NMU. ILC2s also expressed Ramp1 and Calcrl, which encode the receptor for the neuropeptide calcitonin gene-related peptide (CGRP). CGRP inhibited proliferation and type 2 cytokine production of activated ILC2s and at the same time induced a regulatory gene set that is also highly expressed by dysfunctional T cells. Nasal administration of CGRP negatively regulated alarmin-induced airway inflammation in a Ramp1-dependent manner. Conversely, in the absence of endogenous CGRP signaling ILC2 proliferation and effector function were enhanced. Finally, CGRP also promoted the expression of Calca, which encodes CGRP, by ILC2s themselves, suggesting that CGRP may regulate ILC2s in an autocrine manner. These data indicate that CGRP limits the development of airway inflammation by negatively regulating ILC2 proliferation and effector function. In summary, this work generated a single-cell atlas of lung ILC2s at homeostasis and following inflammation and uncovered two novel neuro-immune pathways that regulate ILC2 responses and the development of airway inflammation. While NMU synergizes with IL-25 to promote ILC2 responses, CGRP inhibits ILC2 effector function and proliferation. Since ILC2s contribute to the development of allergic inflammation, these neuro-immune pathways are potential therapeutic targets for the treatment of allergic diseases and asthma.Asthma ist eine chronische, entzündliche Erkrankung der Atemwege, die oft durch Allergien hervorgerufen wird und durch Husten und Atemnot gekennzeichnet ist. Obwohl viele Asthmatiker auf derzeitige Therapien ansprechen, besteht die Notwendigkeit neue Therapien zu entwickeln, da sich eine Gruppe von Patienten behandlungsresistent zeigt und häufig Krankenhausaufenthalte benötigt. Neueste Forschungsergebnisse demonstrieren, dass angeborene lymphoide Zellen vom Typ 2 (ILC2s) eine entscheidende Rolle in der Entstehung allergischer Atemwegsentzündungen spielen. ILC2s sind Teil des angeborenen Immunsystems und befinden sich innerhalb von Epithelien, wo sie sowohl die Barrierefunktion fördern als auch eine Typ-2-Immunantwort auf Würmer oder Allergene hervorrufen. Epithelzellen, die durch Allergene geschädigt oder gestresst wurden, setzen Zytokine frei, um ILC2s zu aktivieren. Wie die Funktion von ILC2s durch andere Mechanismen reguliert wird ist jedoch nicht genau bekannt. Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, neuartige Mechanismen zu identifizieren, die die Funktion von ILC2s in entzündlichen Erkrankungen der Atemwege regulieren. Zur Identifikation möglicher neuartiger Mechanismen, die die Funktion von ILC2s regulieren, wurden ILCs aus den Lungen von PBS-behandelten Mäusen und Mäusen mit entzündeten Atemwegen isoliert und mit Hilfe von Einzelzell-RNA-Sequenzierung analysiert. Unter den Genen, die zwischen Homöostase und Entzündung unterschiedlich exprimiert waren, wurden viele Gene, die eine Rolle in Signalwegen spielen, einschließlich mehrerer Neuropeptidrezeptoren, identifiziert. Basierend auf diesen Daten wurde die Hypothese aufgestellt, dass Neuropeptide die Funktion von ILC2s in Atemwegsentzündungen regulieren. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurden zwei dieser Neuropeptidrezeptoren ausgewählt und bezüglich ihrer Fähigkeit, die Immunantwort von ILC2s in vitro und in vivo zu modulieren, untersucht. Einer dieser Neuropeptidrezeptoren, Neuromedin U Rezeptor 1 (NMUR1), bindet das Neuropeptid Neuromedin U (NMU) und wird von ILC2s und nicht von anderen Immunzellen exprimiert. Die Kombination von NMU und IL-25 expandiert äußerst proliferative und pro-inflammatorische ILC2s in der Lunge und verstärkt die Expression der Typ-2-Zytokine IL-5 und IL-13. Zudem ruft die gemeinsame Verabreichung eine stärkere Entzündungsreaktion der Lunge hervor als die alleinige Gabe von NMU oder IL-25, was auf einen synergistischen Effekt von NMU und IL-25 hindeutet. In NMU- oder NMUR1-defizienten Mäusen, die einem Allergen ausgesetzt wurden, um eine Entzündungsreaktion der Lunge hervorzurufen, wurden eine verringerte Frequenz und eingeschränkte Funktion der ILC2s beobachtet. Diese Ergebnisse zeigen, dass Neurone die Funktion von ILC2s durch NMU fördern und hierdurch die Entstehung entzündlicher Atemwegserkrankungen begünstigen. ILC2s exprimieren zudem Ramp1 und Calcrl, die den Rezeptor für das Neuropeptid Calcitonin gene-related peptide (CGRP) kodieren. CGRP hemmt die Proliferation von aktivierten ILC2s und deren Produktion von Typ-2-Zytokinen. Gleichzeitig ruft CGRP die Expression verschiedener regulatorischer Gene hervor, die auch sehr hoch in dysfunktionalen T-Zellen exprimiert werden. Die Gabe von CGRP verringert die durch Zytokine hervorgerufene Entzündungsreaktion der Atemwege in einer von Ramp1-abhängigen Weise. In der Abwesenheit von endogenem CGRP oder CGRP Rezeptor wurde hingegen eine erhöhte Proliferation und Effektorfunktion von ILC2s beobachtet. Zudem verstärkt CGRP auch die Expression von Calca, welches CGRP kodiert, in ILC2s. Diese Beobachtung legt nahe, dass sich ILC2s in einer autokrinen Weise durch CGRP regulieren. Die Daten zeigen, dass CGRP die Entstehung von Atemwegsentzündungen verringert, indem es die Proliferation und Effektorfunktion von ILC2s hemmt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Zellatlas generiert, der die ILC2s der Lunge sowohl während der Homöostase als auch während einer Typ-2-Entzündungsreaktion charakterisiert. Außerdem wurden zwei neuartige Signalwege zwischen Neuronen und ILC2s entdeckt, die die Funktion von ILC2s und hierdurch auch die Entstehung entzündlicher Atemwegserkrankungen regulieren. Während NMU in Zusammenarbeit mit IL-25 pro-inflammatorische ILC2s fördert, hemmt CGRP die Effektorfunktion und Proliferation von ILC2s. Aufgrund der wichtigen Rolle von ILC2s in der Entstehung von entzündlichen Atemwegserkrankungen sind diese zellulären Signalwege zwischen Neuronen und ILC2s mögliche Ansatzpunkte für Therapien zur Behandlung von allergischen Erkrankungen und Asthma

Calcitonin Gene-Related Peptide Negatively Regulates Alarmin-Driven Type 2 Innate Lymphoid Cell Responses

Neuroimmune interactions have emerged as critical modulators of allergic inflammation, and type 2 innate lymphoid cells (ILC2s) are an important cell type for mediating these interactions. Here, we show that ILC2s expressed both the neuropeptide calcitonin gene-related peptide (CGRP) and its receptor. CGRP potently inhibited alarmin-driven type 2 cytokine production and proliferation by lung ILC2s both in vitro and in vivo. CGRP induced marked changes in ILC2 expression programs in vivo and in vitro, attenuating alarmin-driven proliferative and effector responses. A distinct subset of ILCs scored highly for a CGRP-specific gene signature after in vivo alarmin stimulation, suggesting CGRP regulated this response. Finally, we observed increased ILC2 proliferation and type 2 cytokine production as well as exaggerated responses to alarmins in mice lacking the CGRP receptor. Together, these data indicate that endogenous CGRP is a critical negative regulator of ILC2 responses in vivo

Transcriptional Atlas of Intestinal Immune Cells Reveals that Neuropeptide α-CGRP Modulates Group 2 Innate Lymphoid Cell Responses

Signaling abnormalities in immune responses in the small intestine can trigger chronic type 2 inflammation involving interaction of multiple immune cell types. To systematically characterize this response, we analyzed 58,067 immune cells from the mouse small intestine by single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) at steady state and after induction of a type 2 inflammatory reaction to ovalbumin (OVA). Computational analysis revealed broad shifts in both cell-type composition and cell programs in response to the inflammation, especially in group 2 innate lymphoid cells (ILC2s). Inflammation induced the expression of exon 5 of Calca, which encodes the alpha-calcitonin gene-related peptide (α-CGRP), in intestinal KLRG1+ ILC2s. α-CGRP antagonized KLRG1+ ILC2s proliferation but promoted IL-5 expression. Genetic perturbation of α-CGRP increased the proportion of intestinal KLRG1+ ILC2s. Our work highlights a model where α-CGRP-mediated neuronal signaling is critical for suppressing ILC2 expansion and maintaining homeostasis of the type 2 immune machinery

Dissection of Dom34–Hbs1 reveals independent functions in two RNA quality control pathways

International audienceEukaryotic cells have several quality control pathways that rely on translation to detect and degrade defective RNAs. Dom34 and Hbs1 are two proteins that are related to translation termination factors and are involved in no-go decay (NGD) and nonfunctional 18S ribosomal RNA (rRNA) decay (18S NRD) pathways that eliminate RNAs that cause strong ribosomal stalls. Here we present the structure of Hbs1 with and without GDP and a low-resolution model of the Dom34-Hbs1 complex. This complex mimics complexes of the elongation factor and transfer RNA or of the translation termination factors eRF1 and eRF3, supporting the idea that it binds to the ribosomal A-site. We show that nucleotide binding by Hbs1 is essential for NGD and 18S NRD. Mutations in Hbs1 that disrupted the interaction between Dom34 and Hbs1 strongly impaired NGD but had almost no effect on 18S NRD. Hence, NGD and 18S NRD could be genetically uncoupled, suggesting that mRNA and rRNA in a stalled translation complex may not always be degraded simultaneously