The emerging diversity of single-cell RNA-seq datasets allows for the full transcriptional characterization of cell types across a wide variety of biological and clinical conditions. However, it is challenging to analyze them together, particularly when datasets are assayed with different technologies, because biological and technical differences are interspersed. We present Harmony (https://github.com/immunogenomics/harmony), an algorithm that projects cells into a shared embedding in which cells group by cell type rather than dataset-specific conditions. Harmony simultaneously accounts for multiple experimental and biological factors. In six analyses, we demonstrate the superior performance of Harmony to previously published algorithms while requiring fewer computational resources. Harmony enables the integration of ~106 cells on a personal computer. We apply Harmony to peripheral blood mononuclear cells from datasets with large experimental differences, five studies of pancreatic islet cells, mouse embryogenesis datasets and the integration of scRNA-seq with spatial transcriptomics data.

Summary

 M. tuberculosis and M. leprae are considered to be prototypical intracellular pathogens that have evolved strategies to enable growth in the intracellular phagosomes. In contrast, we show that lysosomes rapidly fuse with the virulent M. tuberculosis- and M. leprae-containing phagosomes of human monocyte-derived dendritic cells and macrophages. After 2 days, M. tuberculosis progressively translocates from phagolysosomes into the cytosol in nonapoptotic cells. Cytosolic entry is also observed for M. leprae but not for vaccine strains such as M. bovis BCG or in heat-killed mycobacteria and is dependent upon secretion of the mycobacterial gene products CFP-10 and ESAT-6. The cytosolic bacterial localization and replication are pathogenic features of virulent mycobacteria, causing significant cell death within a week. This may also reveal a mechanism for MHC-based antigen presentation that is lacking in current vaccine strains.

To define the cell populations that drive joint inflammation in rheumatoid arthritis (RA), we applied single-cell RNA sequencing (scRNA-seq), mass cytometry, bulk RNA sequencing (RNA-seq) and flow cytometry to T cells, B cells, monocytes, and fibroblasts from 51 samples of synovial tissue from patients with RA or osteoarthritis (OA). Utilizing an integrated strategy based on canonical correlation analysis of 5,265 scRNA-seq profiles, we identified 18 unique cell populations. Combining mass cytometry and transcriptomics revealed cell states expanded in RA synovia: THY1(CD90)+HLA-DRAhi sublining fibroblasts, IL1B+ pro-inflammatory monocytes, ITGAX+TBX21+ autoimmune-associated B cells and PDCD1+ peripheral helper T (TPH) cells and follicular helper T (TFH) cells. We defined distinct subsets of CD8+ T cells characterized by GZMK+, GZMB+, and GNLY+ phenotypes. We mapped inflammatory mediators to their source cell populations; for example, we attributed IL6 expression to THY1+HLA-DRAhi fibroblasts and IL1B production to pro-inflammatory monocytes. These populations are potentially key mediators of RA pathogenesis. Defining cell types and their activation status in rheumatoid arthritis (RA) is critical to understanding this disease. Raychaudhuri and colleagues leverage several single-cell -omics approaches to define the cellular processes and pathways in the human RA joint.

The authors identify in patients with rheumatoid arthritis a pathogenic subset of CD4+ T cells that augments B cell responses within inflamed tissues. Michael Brenner and colleagues identify a subset of pathogenically activated PD-1hi CD4-positive T cells in patients with rheumatoid arthritis, and show that it promotes B-cell responses in tertiary lymphoid structures. The cells, which the authors designate as 'peripheral helper' T cells, differ from follicular helper cells in that they lack CXCR5, have altered BCL6 expression, and express chemokine receptors that direct migration to inflamed sites. CD4+ T cells are central mediators of autoimmune pathology; however, defining their key effector functions in specific autoimmune diseases remains challenging. Pathogenic CD4+ T cells within affected tissues may be identified by expression of markers of recent activation1. Here we use mass cytometry to analyse activated T cells in joint tissue from patients with rheumatoid arthritis, a chronic immune-mediated arthritis that affects up to 1% of the population2. This approach revealed a markedly expanded population of PD-1hiCXCR5−CD4+ T cells in synovium of patients with rheumatoid arthritis. However, these cells are not exhausted, despite high PD-1 expression. Rather, using multidimensional cytometry, transcriptomics, and functional assays, we define a population of PD-1hiCXCR5− ‘peripheral helper’ T (TPH) cells that express factors enabling B-cell help, including IL-21, CXCL13, ICOS, and MAF. Like PD-1hiCXCR5+ T follicular helper cells, TPH cells induce plasma cell differentiation in vitro through IL-21 secretion and SLAMF5 interaction (refs 3, 4). However, global transcriptomics highlight differences between TPH cells and T follicular helper cells, including altered expression of BCL6 and BLIMP1 and unique expression of chemokine receptors that direct migration to inflamed sites, such as CCR2, CX3CR1, and CCR5, in TPH cells. TPH cells appear to be uniquely poised to promote B-cell responses and antibody production within pathologically inflamed non-lymphoid tissues.

Previous studies have revealed that autoantibodies, complement components, and Fc receptors each participate in the pathogenesis of erosive arthritis in K/BxN mice. However, it is not known which cellular populations are responsive to these inflammatory signals. We find that two strains of mice deficient in mast cells, W/W v and Sl/Sl d , were resistant to development of joint inflammation and that susceptibility was restored in the W/W v strain by mast cell engraftment. Thus, mast cells may function as a cellular link between autoantibodies, soluble mediators, and other effector populations in inflammatory arthritis.

CD1d-restricted natural killer (NK)T cells are known to potently secrete T helper (Th)1 and Th2 cytokines and to mediate cytolysis, but it is unclear how these contrasting functional activities are regulated. Using lipid antigen-loaded CD1d tetramers, we have distinguished two subsets of CD1d-restricted T cells in fresh peripheral blood that differ in cytokine production and cytotoxic activation. One subset, which was CD4(-), selectively produced the Th1 cytokines interferon gamma and tumor necrosis factor alpha, and expressed NKG2d, a marker associated with cytolysis of microbially infected and neoplastic cells. This subset up-regulated perforin after exposure to interleukin (IL)-2 or IL-12. In contrast, CD4(+) CD1d-restricted NKT cells potently produced both Th1 and Th2 cytokines, up-regulated perforin in response to stimulation by phorbol myristate acetate and ionomycin but not IL-2 or IL-12, and could be induced to express CD95L. Further, for both CD1d-restricted NKT cell subsets, we found that antigenic stimulation induced cytokine production but not perforin expression, whereas exposure to inflammatory factors enhanced perforin expression but did not stimulate cytokine production. These results show that the various activities of CD1d-restricted T cells in tumor rejection, autoimmune disease, and microbial infections could result from activation of functionally distinct subsets, and that inflammatory and antigenic stimuli may influence different effector functions.