The prediction of regulatory elements is a problem where computational methods offer great hope. Over the past few years, numerous tools have become available for this task. The purpose of the current assessment is twofold: to provide some guidance to users regarding the accuracy of currently available tools in various settings, and to provide a benchmark of data sets for assessing future tools.

Droplet single-cell RNA-seq is applied to large numbers of pooled samples from unrelated individuals. Droplet single-cell RNA-sequencing (dscRNA-seq) has enabled rapid, massively parallel profiling of transcriptomes. However, assessing differential expression across multiple individuals has been hampered by inefficient sample processing and technical batch effects. Here we describe a computational tool, demuxlet, that harnesses natural genetic variation to determine the sample identity of each droplet containing a single cell (singlet) and detect droplets containing two cells (doublets). These capabilities enable multiplexed dscRNA-seq experiments in which cells from unrelated individuals are pooled and captured at higher throughput than in standard workflows. Using simulated data, we show that 50 single-nucleotide polymorphisms (SNPs) per cell are sufficient to assign 97% of singlets and identify 92% of doublets in pools of up to 64 individuals. Given genotyping data for each of eight pooled samples, demuxlet correctly recovers the sample identity of >99% of singlets and identifies doublets at rates consistent with previous estimates. We apply demuxlet to assess cell-type-specific changes in gene expression in 8 pooled lupus patient samples treated with interferon (IFN)-β and perform eQTL analysis on 23 pooled samples.

Significance T-cell genome engineering holds great promise for cancer immunotherapies and cell-based therapies for HIV, primary immune deficiencies, and autoimmune diseases, but genetic manipulation of human T cells has been inefficient. We achieved efficient genome editing by delivering Cas9 protein pre-assembled with guide RNAs. These active Cas9 ribonucleoproteins (RNPs) enabled successful Cas9-mediated homology-directed repair in primary human T cells. Cas9 RNPs provide a programmable tool to replace specific nucleotide sequences in the genome of mature immune cells—a longstanding goal in the field. These studies establish Cas9 RNP technology for diverse experimental and therapeutic genome engineering applications in primary human T cells.

Abstract Immunotherapies with chimeric antigen receptor (CAR) T cells and checkpoint inhibitors (including antibodies that antagonize programmed cell death protein 1 [PD-1]) have both opened new avenues for cancer treatment, but the clinical potential of combined disruption of inhibitory checkpoints and CAR T cell therapy remains incompletely explored. Here we show that programmed death ligand 1 (PD-L1) expression on tumor cells can render human CAR T cells (anti-CD19 4-1BBζ) hypo-functional, resulting in impaired tumor clearance in a sub-cutaneous xenograft model. To overcome this suppressed anti-tumor response, we developed a protocol for combined Cas9 ribonucleoprotein (Cas9 RNP)-mediated gene editing and lentiviral transduction to generate PD-1 deficient anti-CD19 CAR T cells. Pdcd1 (PD-1) disruption augmented CAR T cell mediated killing of tumor cells in vitro and enhanced clearance of PD-L1+ tumor xenografts in vivo . This study demonstrates improved therapeutic efficacy of Cas9-edited CAR T cells and highlights the potential of precision genome engineering to enhance next-generation cell therapies.

Responses to anti-PD-1 immunotherapy occur but are infrequent in bladder cancer. The specific T cells that mediate tumor rejection are unknown. T cells from human bladder tumors and non-malignant tissue were assessed with single-cell RNA and paired T cell receptor (TCR) sequencing of 30,604 T cells from 7 patients. We find that the states and repertoires of CD8+ T cells are not distinct in tumors compared with non-malignant tissues. In contrast, single-cell analysis of CD4+ T cells demonstrates several tumor-specific states, including multiple distinct states of regulatory T cells. Surprisingly, we also find multiple cytotoxic CD4+ T cell states that are clonally expanded. These CD4+ T cells can kill autologous tumors in an MHC class II-dependent fashion and are suppressed by regulatory T cells. Further, a gene signature of cytotoxic CD4+ T cells in tumors predicts a clinical response in 244 metastatic bladder cancer patients treated with anti-PD-L1.

Immunogenetic Variation Many genetic variants have been implicated in disease but their effects in function across tissues and cell-types remain to be resolved. Raj et al. (p. 519 ) present an analysis of expression quantative trait loci (eQTL) measuring messenger RNA levels and examined correlations between genotypes and gene expression in purified monocytes and T cells in healthy individuals of European, African, and Asian descent. Most, but not all, of the eQTLs and their effects on expression were shared between the populations, as well as a substantial proportion between the cell types. Links were found with disease-associated variants and loci that previous genome-wide analyses have implicated in neurodegenerative and autoimmune diseases.

Differentiation of proinflammatory CD4+ conventional T cells (Tconv) is critical for productive antitumor responses yet their elicitation remains poorly understood. We comprehensively characterized myeloid cells in tumor draining lymph nodes (tdLN) of mice and identified two subsets of conventional type-2 dendritic cells (cDC2) that traffic from tumor to tdLN and present tumor-derived antigens to CD4+ Tconv, but then fail to support antitumor CD4+ Tconv differentiation. Regulatory T cell (Treg) depletion enhanced their capacity to elicit strong CD4+ Tconv responses and ensuing antitumor protection. Analogous cDC2 populations were identified in patients, and as in mice, their abundance relative to Treg predicts protective ICOS+ PD-1lo CD4+ Tconv phenotypes and survival. Further, in melanoma patients with low Treg abundance, intratumoral cDC2 density alone correlates with abundant CD4+ Tconv and with responsiveness to anti-PD-1 therapy. Together, this highlights a pathway that restrains cDC2 and whose reversal enhances CD4+ Tconv abundance and controls tumor growth.

Finding the components of cellular circuits and determining their functions systematically remains a major challenge in mammalian cells. Here, we introduced genome-wide pooled CRISPR-Cas9 libraries into dendritic cells (DCs) to identify genes that control the induction of tumor necrosis factor (Tnf) by bacterial lipopolysaccharide (LPS), a key process in the host response to pathogens, mediated by the Tlr4 pathway. We found many of the known regulators of Tlr4 signaling, as well as dozens of previously unknown candidates that we validated. By measuring protein markers and mRNA profiles in DCs that are deficient in known or candidate genes, we classified the genes into three functional modules with distinct effects on the canonical responses to LPS and highlighted functions for the PAF complex and oligosaccharyltransferase (OST) complex. Our findings uncover new facets of innate immune circuits in primary cells and provide a genetic approach for dissection of mammalian cell circuits.

Stromal cells (SCs) establish the compartmentalization of lymphoid tissues critical to the immune response. However, the full diversity of lymph node (LN) SCs remains undefined. Using droplet-based single-cell RNA sequencing, we identified nine peripheral LN non-endothelial SC clusters. Included are the established subsets, Ccl19

Highly dense (1−x)(Na0.5K0.5)NbO3–x(Bi0.5Na0.5)TiO3 (NKN-BST) solid solution piezoelectric ceramics have been fabricated by ordinary sintering. All compositions show pure perovskite structures, showing room-temperature symmetries of orthorhombic at x⩽0.02, of tetragonal at 0.03⩽x⩽0.09, of cubic at 0.09<x⩽0.20, and of rhombohedral at x>0.20. A morphotropic phase boundary (MPB) between orthorhombic and tetragonal ferroelectric phases was identified in the composition range of 0.02<x<0.03. The materials near the MPB exhibit a strong compositional dependence, owning peak values of the planar electromechanical coupling factor kp∼43%, the piezoelectric constant d33∼195pC∕N, and the Curie temperature of 375°C comparable to that of commercial lead zinconate titanate ceramics. The results indicate that NKN-BST ceramic is a promising lead-free piezoelectric candidate material.