Genome-wide association studies have identified CD33 as an Alzheimer's disease susceptibility locus. Here, the authors show that the CD33 risk allele is associated with altered myeloid function, microglial activation and in vivo amyloid pathology. In our functional dissection of the CD33 Alzheimer's disease susceptibility locus, we found that the rs3865444C risk allele was associated with greater cell surface expression of CD33 in the monocytes (t50 = 10.06, Pjoint = 1.3 × 10−13) of young and older individuals. It was also associated with diminished internalization of amyloid-β 42 peptide, accumulation of neuritic amyloid pathology and fibrillar amyloid on in vivo imaging, and increased numbers of activated human microglia.

The development of T helper (T H )17 and regulatory T (T reg ) cells is reciprocally regulated by cytokines. Transforming growth factor (TGF)-β alone induces FoxP3 + T reg cells, but together with IL-6 or IL-21 induces T H 17 cells. Here we demonstrate that IL-9 is a key molecule that affects differentiation of T H 17 cells and T reg function. IL-9 predominantly produced by T H 17 cells, synergizes with TGF-β1 to differentiate naïve CD4 + T cells into T H 17 cells, while IL-9 secretion by T H 17 cells is regulated by IL-23. Interestingly, IL-9 enhances the suppressive functions of FoxP3 + CD4 + T reg cells in vitro, and absence of IL-9 signaling weakens the suppressive activity of nT regs in vivo, leading to an increase in effector cells and worsening of experimental autoimmune encephalomyelitis. The mechanism of IL-9 effects on T H 17 and T regs is through activation of STAT3 and STAT5 signaling. Our findings highlight a role of IL-9 as a regulator of pathogenic versus protective mechanisms of immune responses.

Abstract The extent of microglial heterogeneity in humans remains a central yet poorly explored question in light of the development of therapies targeting this cell type. Here, we investigate the population structure of live microglia purified from human cerebral cortex samples obtained at autopsy and during neurosurgical procedures. Using single cell RNA sequencing, we find that some subsets are enriched for disease-related genes and RNA signatures. We confirm the presence of four of these microglial subpopulations histologically and illustrate the utility of our data by characterizing further microglial cluster 7, enriched for genes depleted in the cortex of individuals with Alzheimer’s disease (AD). Histologically, these cluster 7 microglia are reduced in frequency in AD tissue, and we validate this observation in an independent set of single nucleus data. Thus, our live human microglia identify a range of subtypes, and we prioritize one of these as being altered in AD.

There is a need for new therapeutic targets with which to prevent Alzheimer’s disease (AD), a major contributor to aging-related cognitive decline. Here we report the construction and validation of a molecular network of the aging human frontal cortex. Using RNA sequence data from 478 individuals, we first build a molecular network using modules of coexpressed genes and then relate these modules to AD and its neuropathologic and cognitive endophenotypes. We confirm these associations in two independent AD datasets. We also illustrate the use of the network in prioritizing amyloid- and cognition-associated genes for in vitro validation in human neurons and astrocytes. These analyses based on unique cohorts enable us to resolve the role of distinct cortical modules that have a direct effect on the accumulation of AD pathology from those that have a direct effect on cognitive decline, exemplifying a network approach to complex diseases. The authors constructed and validated a molecular network of the aging human cortex from RNA sequencing data from 478 individuals and identified genes that affect cognitive decline or neuropathology in Alzheimer’s disease.

With a rapidly aging global human population, finding a cure for late onset neurodegenerative diseases has become an urgent enterprise. However, these efforts are hindered by the lack of understanding of what constitutes the phenotype of aged human microglia-the cell type that has been strongly implicated by genetic studies in the pathogenesis of age-related neurodegenerative disease. Here, we establish the set of genes that is preferentially expressed by microglia in the aged human brain. This HuMi_Aged gene set captures a unique phenotype, which we confirm at the protein level. Furthermore, we find this gene set to be enriched in susceptibility genes for Alzheimer's disease and multiple sclerosis, to be increased with advancing age, and to be reduced by the protective APOEε2 haplotype. APOEε4 has no effect. These findings confirm the existence of an aging-related microglial phenotype in the aged human brain and its involvement in the pathological processes associated with brain aging.

The release of cytokines by T cells defines a significant part of their functional activity in vivo, and their ability to produce multiple cytokines has been associated with beneficial immune responses. To date, time-integrated end-point measurements have obscured whether these polyfunctional states arise from the simultaneous or successive release of cytokines. Here, we used serial, time-dependent, single-cell analysis of primary human T cells to resolve the temporal dynamics of cytokine secretion from individual cells after activation ex vivo. We show that multifunctional, Th1-skewed cytokine responses (IFN-γ, IL-2, TNFα) are initiated asynchronously, but the ensuing dynamic trajectories of these responses evolve programmatically in a sequential manner. That is, cells predominantly release one of these cytokines at a time rather than maintain active secretion of multiple cytokines simultaneously. Furthermore, these dynamic trajectories are strongly associated with the various states of cell differentiation suggesting that transient programmatic activities of many individual T cells contribute to sustained, population-level responses. The trajectories of responses by single cells may also provide unique, time-dependent signatures for immune monitoring that are less compromised by the timing and duration of integrated measures.

Abstract Autoimmune diseases including type 1 diabetes (T1D) are thought to have a Th1/Th17 bias. The underlying mechanisms driving the activation and differentiation of these proinflammatory T cells are unknown. We examined the monocytes isolated directly from the blood of T1D patients and found they spontaneously secreted the proinflammatory cytokines IL-1β and IL-6, which are known to induce and expand Th17 cells. Moreover, these in vivo-activated monocytes from T1D subjects induced more IL-17-secreting cells from memory T cells compared with monocytes from healthy control subjects. The induction of IL-17-secreting T cells by monocytes from T1D subjects was reduced in vitro with a combination of an IL-6-blocking Ab and IL-1R antagonist. In this study, we report a significant although modest increase in the frequency of IL-17-secreting cells in lymphocytes from long-term patients with T1D compared with healthy controls. These data suggest that the innate immune system in T1D may drive the adaptive immune system by expanding the Th17 population of effector T cells.

Abstract Recent studies of bulk microglia have provided insights into the role of this immune cell type in central nervous system development, homeostasis and dysfunction. Nonetheless, our understanding of the diversity of human microglial cell states remains limited; microglia are highly plastic and have multiple different roles, making the extent of phenotypic heterogeneity a central question, especially in light of the development of therapies targeting this cell type. Here, we investigated the population structure of human microglia by single-cell RNA-sequencing. Using surgical- and autopsy-derived cortical brain samples, we identified 14 human microglial subpopulations and noted substantial intra- and inter-individual heterogeneity. These putative subpopulations display divergent associations with Alzheimer’s disease, multiple sclerosis, and other diseases. Several states show enrichment for genes found in disease-associated mouse microglial states, suggesting additional diversity among human microglia. Overall, human microglia appear to exist in different functional states with varying levels of involvement in different brain pathologies.

Abstract Microglia, the resident immune cells of the brain, are crucial in the development of the nervous system. Recent evidence demonstrates that microglia modulate adult hippocampal neurogenesis by inhibiting cell proliferation of neural precursors and survival both in vitro and in vivo , thus maintaining a balance between cell division and cell death in the neural stem cell pool. There are increasing reports suggesting these microglia found in neurogenic niches differ from their counterparts in non-neurogenic areas. Here, we present evidence that microglia in the hippocampal neurogenic niche are a specialized population that express genes known to regulate neurogenesis. By comprehensively profiling myeloid lineage cells in the hippocampus using single cell RNA-sequencing, we resolve transcriptomic differences in microglia originating from the subgranular zone. These cells have lower expression of genes associated with homeostatic microglia and increased expression of genes associated with phagocytosis. Intriguingly, this small yet distinct population expresses a gene signature with substantial overlap with previously characterized phenotypes, including disease associated microglia (DAM), a particularly unique and compelling microglial state.

Abstract The immune system has a dynamic role in neurodegenerative diseases, and purinergic receptors allow immune cells to recognize neuronal signaling, cell injury, or stress. Purinergic Receptor 7 (P2RX7) can modulate inflammatory cascades and its expression is upregulated in Alzheimer’s disease (AD) brain tissue. P2RX7 expression is enriched in microglia, and elevated levels are found in microglia surrounding amyloid-beta plaques in the brain. While P2RX7 is thought to play a role in neurodegenerative diseases, how it modulates pathology and disease progression is not well understood. Here, we utilize a human monocyte-derived microglia-like cell (MDMi) model to interrogate P2RX7 activation and downstream consequences on microglia function. By using MDMi derived from human donors, we can examine how human donor variation impacts microglia function. We assessed P2RX7-driven IL1β and IL18 production and amyloid-beta peptide 1-42 (Aβ1-42) uptake levels. Our results show that ATP-stimulation of MDMi triggers upregulation of IL1β and IL18 expression. This upregulation of cytokine gene expression is blocked with the A740003 P2RX7 antagonist. We find that high extracellular ATP conditions also reduced MDMi capacity for Aβ1-42 uptake, and this loss of function is prevented through A740003 inhibition of P2RX7. In addition, pretreatment of MDMi with IL-1RA limited ATP-driven IL1β and IL18 gene expression upregulation, indicating that ATP immunomodulation of P2RX7 is IL-1R dependent. Aβ1-42 uptake was higher with IL-1RA pretreatment compared to ATP treatment alone, suggesting P2RX7 regulates phagocytic engulfment through IL-1 signaling. Overall, our results demonstrate that P2RX7 is a key response protein for high extracellular ATP in human microglia-like cells, and its function can be modulated by IL-1 signaling. This work opens the door to future studies examining anti-IL-1 biologics to increase the clearance of amyloid-beta.