Immune responses to cancer are highly variable, with mismatch repair-deficient (MMRd) tumors exhibiting more anti-tumor immunity than mismatch repair-proficient (MMRp) tumors. To understand the rules governing these varied responses, we transcriptionally profiled 371,223 cells from colorectal tumors and adjacent normal tissues of 28 MMRp and 34 MMRd individuals. Analysis of 88 cell subsets and their 204 associated gene expression programs revealed extensive transcriptional and spatial remodeling across tumors. To discover hubs of interacting malignant and immune cells, we identified expression programs in different cell types that co-varied across tumors from affected individuals and used spatial profiling to localize coordinated programs. We discovered a myeloid cell-attracting hub at the tumor-luminal interface associated with tissue damage and an MMRd-enriched immune hub within the tumor, with activated T cells together with malignant and myeloid cells expressing T cell-attracting chemokines. By identifying interacting cellular programs, we reveal the logic underlying spatially organized immune-malignant cell networks.

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.

Interleukin-27 (IL-27) is an immunoregulatory cytokine that suppresses inflammation through multiple mechanisms, including induction of IL-10, but the transcriptional network mediating its diverse functions remains unclear. Combining temporal RNA profiling with computational algorithms, we predict 79 transcription factors induced by IL-27 in T cells. We validate 11 known and discover 5 positive (Cebpb, Fosl2, Tbx21, Hlx, and Atf3) and 2 negative (Irf9 and Irf8) Il10 regulators, generating an experimentally refined regulatory network for Il10. We report two central regulators, Prdm1 and Maf, that cooperatively drive the expression of signature genes induced by IL-27 in type 1 regulatory T cells, mediate IL-10 expression in all T helper cells, and determine the regulatory phenotype of colonic Foxp3+ regulatory T cells. Prdm1/Maf double-knockout mice develop spontaneous colitis, phenocopying ll10-deficient mice. Our work provides insights into IL-27-driven transcriptional networks and identifies two shared Il10 regulators that orchestrate immunoregulatory programs across T helper cell subsets.

Intestinal IL-17-producing T helper (Th17) cells are dependent on adherent microbes in the gut for their development. However, how microbial adherence to intestinal epithelial cells (IECs) promotes Th17 cell differentiation remains enigmatic. Here, we found that Th17 cell-inducing gut bacteria generated an unfolded protein response (UPR) in IECs. Furthermore, subtilase cytotoxin expression or genetic removal of X-box binding protein 1 (Xbp1) in IECs caused a UPR and increased Th17 cells, even in antibiotic-treated or germ-free conditions. Mechanistically, UPR activation in IECs enhanced their production of both reactive oxygen species (ROS) and purine metabolites. Treating mice with N-acetyl-cysteine or allopurinol to reduce ROS production and xanthine, respectively, decreased Th17 cells that were associated with an elevated UPR. Th17-related genes also correlated with ER stress and the UPR in humans with inflammatory bowel disease. Overall, we identify a mechanism of intestinal Th17 cell differentiation that emerges from an IEC-associated UPR.

Abstract Th17 cells are a heterogenous cell population consisting of non-pathogenic Th17 cells (npTh17) that contribute to tissue homeostasis and pathogenic Th17 cells (pTh17) that are potent mediators of tissue inflammation. To reveal regulatory mechanisms underlying Th17 heterogeneity, we performed combined ATAC-seq and RNA-seq and discovered substantial differences in the chromatin landscape of npTh17 and pTh17 cells both in vitro and in vivo . Compared to other CD4 + T cell subsets, npTh17 cells share accessible chromatin programs with T regs , and pTh17 cells have an intermediate profile spanning features of npTh17 cells and Th1 cells. Integrating single-cell ATAC-seq and single-cell RNA-seq, we inferred self-reinforcing and mutually exclusive regulatory networks controlling the different cell states and predicted transcription factors (TFs) shaping the chromatin landscape of Th17 cell pathogenicity. We validated one novel TF, BACH2, which promotes immunomodulatory npTh17 programs and restrains pro-inflammatory Th1-like programs in Th17 cells and showed genetic evidence for protective variants in the human BACH2 locus associated with multiple sclerosis. Our work uncovered mechanisms that regulate Th17 heterogeneity, revealed shared regulatory programs with other CD4 + T cell subsets, and identified novel drivers of Th17 pathogenicity as potential targets to mitigate autoimmunity.

Abstract While inhibition of T cell co-inhibitory receptors has revolutionized cancer therapy, the mechanisms governing their expression on human T cells have not been elucidated. Type 1 interferon (IFN-I) modulates T cell immunity in viral infection, autoimmunity, and cancer, and may facilitate induction of T cell exhaustion in chronic viral infection 1,2 . Here we show that IFN-I regulates co-inhibitory receptors expression on human T cells, inducing PD-1/TIM-3/LAG-3 while surprisingly inhibiting TIGIT expression. High-temporal-resolution mRNA profiling of IFN-I responses enabled the construction of dynamic transcriptional regulatory networks uncovering three temporal transcriptional waves. Perturbation of key transcription factors on human primary T cells revealed both canonical and non-canonical IFN-I transcriptional regulators, and identified unique regulators that control expression of co-inhibitory receptors. To provide direct in vivo evidence for the role of IFN-I on co-inhibitory receptors, we then performed single cell RNA-sequencing in subjects infected with SARS-CoV-2, where viral load was strongly associated with T cell IFN-I signatures. We found that the dynamic IFN-I response in vitro closely mirrored T cell features with acute IFN-I linked viral infection, with high LAG3 and decreased TIGIT expression. Finally, our gene regulatory network identified SP140 as a key regulator for differential LAG3 and TIGIT expression. The construction of co-inhibitory regulatory networks induced by IFN-I with identification of unique transcription factors controlling their expression may provide targets for enhancement of immunotherapy in cancer, infectious diseases, and autoimmunity.

Abstract Immune responses to cancer are highly variable, with mismatch repair-deficient (MMRd) tumors exhibiting more anti-tumor immunity than mismatch repair-proficient (MMRp) tumors. To understand the rules governing these varied responses, we transcriptionally profiled 371,223 cells from colorectal tumors and adjacent normal tissues of 28 MMRp and 34 MMRd patients. Analysis of 88 cell subsets and their 204 associated gene expression programs revealed extensive transcriptional and spatial remodeling across tumors. To discover hubs of interacting malignant and immune cells, we identified expression programs in different cell types that co-varied across patient tumors and used spatial profiling to localize coordinated programs. We discovered a myeloid cell-attracting hub at the tumor-luminal interface associated with tissue damage, and an MMRd-enriched immune hub within the tumor, with activated T cells together with malignant and myeloid cells expressing T-cell-attracting chemokines. By identifying interacting cellular programs, we thus reveal the logic underlying spatially organized immune-malignant cell networks.

Abstract The polygenic and multi-cellular nature of multiple sclerosis (MS) immunopathology necessitates cell-type-specific molecular studies in order to improve our understanding of the diverse mechanisms underlying immune cell dysfunction in MS. Here, by generating a dataset of 1,075 transcriptomes from 209 participants (167 MS and 42 healthy), we assessed MS-associated transcriptional changes in six implicated cell-type-states: naïve and memory helper T cells and classical monocytes purified from peripheral blood, each in their primary ( ex vivo , unstimulated) and in vitro stimulated states. Our data suggest that primary profiles show larger MS-associated differences than the post-stimulation contexts. We further identified shared and distinct changes in individual genes, biological pathways, and co-expressed gene modules in MS T cells and monocytes, and prioritized genes such as ZBTB16 as MS-associated regulators in both cell types. Of six identified MS-associated co-expressed gene modules, three (two lymphoid and one myeloid) were replicated in independent data from peripheral blood mononuclear cells (PBMC) and monocyte-derived macrophages. A subsequent in silico drug screen prioritized small-molecule compounds for reversing the perturbation of the MS-associated modules. The effects of glucocorticoid receptor agonists as the top-identified therapeutic class for the replicated T cell modules were validated using targeted in silico analyses and in vitro experiments, suggesting the coordinated dysregulation of glucocorticoid-responsive genes in MS T cells. In summary, our study identifies and validates individual genes and co-expressed gene modules from T and myeloid cells that are perturbed in MS, offering new targets for therapeutic discovery and biomarker development to guide the management of MS.

Abstract Th1 cells are critical in experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). Serpine1 has been posited as an inhibitor of IFN γ from T cells though its role in autoimmunity remains unclear. Here, we show that Serpine1 knockout (KO) mice develop EAE of enhanced severity relative to wild-type (WT) controls. Serpine1 overexpression represses Th1 cell cytokine production and pathogenicity, while Serpine1-KO:2D2 Th1 cells transfer EAE of increased severity in comparison to WT 2D2 Th1 cells. Notably, polarized Serpine1-KO Th1 cells display delayed expression of the Th1-specific inhibitory receptor, Tim-3. Serpine1-KO:Tim-3-Tg Th1 cells, which transgenically over-express Tim-3, showed increased expression of IFN γ and reduced expression of the checkpoint molecules Lag-3 and PD-1 relative to WT Tim-3-Tg counterparts. Further, Serpine1 deficiency restored the EAE phenotype of Tim-3-Tg mice that normally develop mild disease. Together, we identify Serpine1 as a negative regulator of Th1 cells. Key points Serpine1 inhibits EAE in a T cell-dependent manner. Serpine1 is upregulated in Th1 cells and inhibits their pathogenicity. Serpine1 promotes expression and function of Th1-specific inhibitory receptor Tim-3.

B cells can express pro-inflammatory cytokines that promote a wide variety of immune responses. Here we show that B cells expressing the phosphatidylserine receptor TIM-4, preferentially express not only IL-17A, but also IL-22, IL-6, and GM-CSF - a collection of cytokines reminiscent of pathogenic Th17 cells. Expression of this proinflammatory module requires B cell expression of IL-23R, RORγt and IL-17. IL-17 expressed by TIM-4+ B cells not only enhances the severity of experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) and promotes allograft rejection, but also acts in an autocrine manner to prevent their conversion into IL-10-expressing B cells with regulatory function. Thus, IL-17 acts as an inflammatory mediator and also enforces the proinflammatory activity of TIM-4+ B cells. TIM-4 serves as a broad marker for effector B cells (Beff) that will allow the study of the signals regulating their differentiation and expression of their effector molecules.