Abstract Rheumatoid arthritis is a prototypical autoimmune disease that causes joint inflammation and destruction 1 . There is currently no cure for rheumatoid arthritis, and the effectiveness of treatments varies across patients, suggesting an undefined pathogenic diversity 1,2 . Here, to deconstruct the cell states and pathways that characterize this pathogenic heterogeneity, we profiled the full spectrum of cells in inflamed synovium from patients with rheumatoid arthritis. We used multi-modal single-cell RNA-sequencing and surface protein data coupled with histology of synovial tissue from 79 donors to build single-cell atlas of rheumatoid arthritis synovial tissue that includes more than 314,000 cells. We stratified tissues into six groups, referred to as cell-type abundance phenotypes (CTAPs), each characterized by selectively enriched cell states. These CTAPs demonstrate the diversity of synovial inflammation in rheumatoid arthritis, ranging from samples enriched for T and B cells to those largely lacking lymphocytes. Disease-relevant cell states, cytokines, risk genes, histology and serology metrics are associated with particular CTAPs. CTAPs are dynamic and can predict treatment response, highlighting the clinical utility of classifying rheumatoid arthritis synovial phenotypes. This comprehensive atlas and molecular, tissue-based stratification of rheumatoid arthritis synovial tissue reveal new insights into rheumatoid arthritis pathology and heterogeneity that could inform novel targeted treatments.

Summary Rheumatoid arthritis (RA) is a prototypical autoimmune disease that causes destructive tissue inflammation in joints and elsewhere. Clinical challenges in RA include the empirical selection of drugs to treat patients, inadequate responders with incomplete disease remission, and lack of a cure. We profiled the full spectrum of cells in inflamed synovium from patients with RA with the goal of deconstructing the cell states and pathways characterizing pathogenic heterogeneity in RA. Our multicenter consortium effort used multi-modal CITE-seq, RNA-seq, and histology of synovial tissue from 79 donors to build a >314,000 single-cell RA synovial cell atlas with 77 cell states from T, B/plasma, natural killer, myeloid, stromal, and endothelial cells. We stratified tissue samples into six distinct cell type abundance phenotypes (CTAPs) individually enriched for specific cell states. These CTAPs demonstrate the striking diversity of RA synovial inflammation, ranging from marked enrichment of T and B cells (CTAP-TB) to a congregation of specific myeloid, fibroblast, and endothelial cells largely lacking lymphocytes (CTAP-EFM). Disease-relevant cytokines, histology, and serology metrics are associated with certain CTAPs. This comprehensive RA synovial atlas and molecular, tissue-based CTAP stratification reveal new insights into RA pathology and heterogeneity, which could lead to novel targeted-treatment approaches in RA.

Abstract Immune checkpoint inhibitor (ICI) therapies that promote T cell activation have improved outcomes for advanced malignancies yet also elicit harmful autoimmune reactions. The T cell mechanisms mediating these iatrogenic autoimmune events remain unclear. Here we assayed T cells from joints of patients affected by ICI-induced inflammatory arthritis (ICI-arthritis), which can present clinically indistinguishable from rheumatoid arthritis (RA). Compared to the autoimmune arthritides RA and psoriatic arthritis (PsA), ICI-arthritis joints contained an expanded CD38 hi CD127 − CD8 + T cell subset that displays cytotoxic, effector, and interferon (IFN) response signatures. The abundance of CD38 hi CD8 T cells in ICI-arthritis resulted from a limited number of clones that could be found proliferating in the joint. Exposure of synovial T cells to Type I IFN, more so than IFN-γ, induces the CD38 hi cytotoxic phenotype. Relative to other CD8 + T cell subsets in the joints, the CD38 hi population is distinct from a dysfunctional population and clonally most related to TCF7 + memory populations. Examination of synovial tissue from bilateral knee arthroplasty demonstrated considerable sharing of TCR clonotypes in the CD38 hi CD8 T cell fraction from both knees. These results define a distinct CD8 T cell subset that may be directly activated by ICI therapy and mediate a tissue-specific autoimmune cellular reaction in patient joints.

Abstract Synovial tissue inflammation is a hallmark of rheumatoid arthritis (RA). Recent work has identified prominent pathogenic cell states in inflamed RA synovial tissue, such as T peripheral helper cells; however, the epigenetic regulation of these states has yet to be defined. Here, we examine genome-wide open chromatin at single-cell resolution in 30 synovial tissue samples, including 12 samples with transcriptional data in multimodal experiments. We identify 24 chromatin classes and predict their associated transcription factors, including a CD8 + GZMK + class associated with EOMES and a lining fibroblast class associated with AP-1. By integrating with an RA tissue transcriptional atlas, we propose that these chromatin classes represent ‘superstates’ corresponding to multiple transcriptional cell states. Finally, we demonstrate the utility of this RA tissue chromatin atlas through the associations between disease phenotypes and chromatin class abundance, as well as the nomination of classes mediating the effects of putatively causal RA genetic variants.

Rheumatoid arthritis (RA) is an autoimmune disease involving antigen-specific T and B cells. Here, we perform single-cell RNA and repertoire sequencing on paired synovial tissue and blood samples from 12 seropositive RA patients. We identify clonally expanded CD4 + T cells, including CCL5+ cells and T peripheral helper (Tph) cells, which show a prominent transcriptomic signature of recent activation and effector function. CD8 + T cells show higher oligoclonality than CD4 + T cells, with the largest synovial clones enriched in GZMK+ cells. CD8 + T cells with possibly virus-reactive TCRs are distributed across transcriptomic clusters. In the B cell compartment, NR4A1+ activated B cells, and plasma cells are enriched in the synovium and demonstrate substantial clonal expansion. We identify synovial plasma cells that share BCRs with synovial ABC, memory, and activated B cells. Receptor-ligand analysis predicted IFNG and TNFRSF members as mediators of synovial Tph-B cell interactions. Together, these results reveal clonal relationships between functionally distinct lymphocyte populations that infiltrate the synovium of patients with RA.

ABSTRACT T cells acquire a regulatory phenotype when their T cell receptors (TCRs) experience an intermediate-high affinity interaction with a self-peptide presented on MHC. Using TCR sequences from FACS-sorted human cells, we identified TCR features that shape affinity to these self-peptide-MHC complexes, finding that 1) CDR3β hydrophobicity and 2) certain TRBV genes promote Treg fate. We developed a scoring system for TCR-intrinsic regulatory potential (TiRP) and found that within the tumor microenvironment clones exhibiting Treg-Tconv plasticity had higher TiRP than expanded clones maintaining the Tconv phenotype. To elucidate drivers of these predictive TCR features, we examined the two elements of the Treg TCR ligand separately: the self-peptide via murine Tregs, and the human MHC II molecule via human memory Tconvs. These analyses revealed that CDR3β hydrophobicity promotes reactivity to self-peptides, while TRBV gene usage shapes the TCR’s general propensity for MHC II-restricted activation.

ABSTRACT Objectives Neutrophils are typically the most abundant leukocyte in arthritic synovial fluid. We sought to understand changes that occur in neutrophils as they migrate from blood to joint. Methods We performed RNA sequencing of neutrophils from healthy human blood, arthritic blood, and arthritic synovial fluid, comparing transcriptional signatures with those from murine K/BxN serum transfer arthritis. We employed mass cytometry to quantify protein expression and sought to reproduce the synovial fluid phenotype ex vivo in cultured healthy blood neutrophils. Results Blood neutrophils from healthy donors and patients with active arthritis exhibited largely similar transcriptional signatures. By contrast, synovial fluid neutrophils exhibited more than 1,600 differentially expressed genes. Gene signatures identified a prominent response to interferon gamma (IFNγ), as well as to tumor necrosis factor, interleukin 6, and hypoxia, in both humans and mice. Mass cytometry also found healthy and arthritic donor blood neutrophils largely indistinguishable but revealed a range of neutrophil phenotypes in synovial fluid defined by downregulation of CXCR1 and upregulation of FcγRI, HLA-DR, PD-L1, ICAM-1 and CXCR4. Reproduction of key elements of this signature in cultured blood neutrophils required both IFNγ and prolonged culture. Conclusions Circulating neutrophils from arthritis patients resemble those from healthy controls, but joint fluid cells exhibit a network of changes, conserved across species, that implicate IFNγ response and aging as complementary drivers of the synovial neutrophil phenotype. KEY MESSAGES What is already known about this subject? Neutrophils are central in the effector phase of inflammatory arthritis but their phenotypic heterogeneity in inflamed synovial fluid is poorly understood. What does this study add? RNA-seq and mass cytometry identify a hallmark phenotype of neutrophils in synovial fluid consisting of upregulated ICAM-1, HLA-DR, PD-L1, Fc receptors and CXCR4. Transcriptomics highlight an IFNγ response signature conserved across humans and mice. In vitro experiments implicate aging and IFNγ as complementary factors orchestrating the synovial fluid neutrophil phenotype. How might this impact on clinical practice or future developments? Understanding the specific features of neutrophils in the arthritic joint may disclose opportunities for safe therapeutic targeting of this lineage.

Lupus nephritis is a potentially fatal autoimmune disease, whose current treatment is ineffective and often toxic. To gain insights into disease mechanisms, we analyzed kidney samples from lupus nephritis patients and healthy controls using single-cell RNA-seq. Our analysis revealed 21 subsets of leukocytes active in disease, including multiple populations of myeloid, T, NK and B cells, demonstrating both pro-inflammatory and resolving responses. We found evidence of local activation of B cells correlated with an age-associated B cell signature, and of progressive stages of monocyte differentiation within the kidney. A clear interferon response was observed in most cells. Two chemokine receptors, CXCR4 and CX3CR1, were broadly expressed, pointing to potential therapeutic targets. Gene expression of immune cells in urine and kidney was highly correlated, suggesting urine may be a surrogate for kidney biopsies. Our results provide a first comprehensive view of the complex network of leukocytes active in lupus nephritis kidneys.

Synovial tissue inflammation is the hallmark of rheumatoid arthritis (RA). Recent work has identified prominent pathogenic cell states in inflamed RA synovial tissue, such as T peripheral helper cells; however, the epigenetic regulation of these states has yet to be defined. We measured genome-wide open chromatin at single cell resolution from 30 synovial tissue samples, including 12 samples with transcriptional data in multimodal experiments. We identified 24 chromatin classes and predicted their associated transcription factors, including a CD8+ GZMK+ class associated with EOMES and a lining fibroblast class associated with AP-1. By integrating an RA tissue transcriptional atlas, we found that the chromatin classes represented 'superstates' corresponding to multiple transcriptional cell states. Finally, we demonstrated the utility of this RA tissue chromatin atlas through the associations between disease phenotypes and chromatin class abundance as well as the nomination of classes mediating the effects of putatively causal RA genetic variants.