Call to action The developing brain initially makes more synapses than it needs. With further development, excess synapses are pruned away, leaving mature circuits. Synapses can be eliminated by microglia, which engulf and destroy them. Vainchtein et al. found that the microglia are called into action by astrocytes, supportive cells on which neurons rely. Astrocytes near a redundant synapse release the cytokine interleukin-33 (IL-33), which recruits microglia to the site. In mice, disruptions in this process, as caused by deficiency in IL-33, led to too many excitatory synapses and overactive brain circuitry. Science , this issue p. 1269

Synapse remodeling is essential to encode experiences into neuronal circuits. Here, we define a molecular interaction between neurons and microglia that drives experience-dependent synapse remodeling in the hippocampus. We find that the cytokine interleukin-33 (IL-33) is expressed by adult hippocampal neurons in an experience-dependent manner and defines a neuronal subset primed for synaptic plasticity. Loss of neuronal IL-33 or the microglial IL-33 receptor leads to impaired spine plasticity, reduced newborn neuron integration, and diminished precision of remote fear memories. Memory precision and neuronal IL-33 are decreased in aged mice, and IL-33 gain of function mitigates age-related decreases in spine plasticity. We find that neuronal IL-33 instructs microglial engulfment of the extracellular matrix (ECM) and that its loss leads to impaired ECM engulfment and a concomitant accumulation of ECM proteins in contact with synapses. These data define a cellular mechanism through which microglia regulate experience-dependent synapse remodeling and promote memory consolidation.

Summary Microglia are brain resident phagocytes that can engulf synaptic components and extracellular matrix as well as whole neurons. However, whether there are unique molecular mechanisms that regulate these distinct phagocytic states is unknown. Here we define a molecularly distinct microglial subset whose function is to engulf neurons in the developing brain. We transcriptomically identified a cluster of Type I interferon (IFN-I) responsive microglia that expanded 20-fold in the postnatal day 5 somatosensory cortex after partial whisker deprivation, a stressor that accelerates neural circuit remodeling. In situ , IFN-I responsive microglia were highly phagocytic and actively engulfed whole neurons. Conditional deletion of IFN-I signaling ( Ifnar1 fl/fl ) in microglia but not neurons resulted in dysmorphic microglia with stalled phagocytosis and an accumulation of neurons with double strand DNA breaks, a marker of cell stress. Conversely, exogenous IFN-I was sufficient to drive neuronal engulfment by microglia and restrict the accumulation of damaged neurons. IFN-I deficient mice had excess excitatory neurons in the developing somatosensory cortex as well as tactile hypersensitivity to whisker stimulation. These data define a molecular mechanism through which microglia engulf neurons during a critical window of brain development. More broadly, they reveal key homeostatic roles of a canonical antiviral signaling pathway in brain development.

ABSTRACT Ulcerative colitis (UC) is driven by immune and stromal subsets, culminating in epithelial injury. Vedolizumab (VDZ) is an anti-integrin antibody that is effective for treating UC. VDZ is known to inhibit lymphocyte trafficking to the intestine, but its broader effects on other cell subsets are less defined. To identify the inflammatory cells that contribute to colitis and are affected by VDZ, we performed single-cell transcriptomic and proteomic analyses of peripheral blood and colonic biopsies in healthy controls and patients with UC on VDZ or other therapies. Here we show that VDZ treatment is associated with alterations in circulating and tissue mononuclear phagocyte (MNP) subsets, along with modest shifts in lymphocytes. Spatial multi-omics of formalin-fixed biopsies demonstrates trends towards increased abundance and proximity of MNP and fibroblast subsets in active colitis. Spatial transcriptomics of archived specimens pre-treatment identifies epithelial-, MNP-, and fibroblast-enriched genes related to VDZ responsiveness, highlighting important roles for these subsets in UC.

Summary Microglia are brain resident macrophages that play vital roles in central nervous system (CNS) development, homeostasis, and pathology. Microglia both remodel synapses and engulf apoptotic cell corpses during development, but whether unique molecular programs regulate these distinct phagocytic functions is unknown. Here we identify a molecularly distinct synapse-associated microglial subset in the zebrafish ( Danio rerio ). We found that ramified microglia populated synapse-rich regions of the midbrain and hindbrain between 7 and 28 days post fertilization. In contrast, microglia in the optic tectum were ameboid and clustered around neurogenic zones. Using single-cell mRNA sequencing combined with metadata from regional bulk sequencing, we identified synapse-associated microglia (SAMs) that were highly enriched in the hindbrain, expressed known synapse modulating genes as well as novel candidates, and engulfed synaptic proteins. In contrast, neurogenic-associated microglia (NAMs) were enriched in optic tectum, had active cathepsin activity, and preferentially engulfed neuronal corpses. These data yielded a functionally annotated atlas of zebrafish microglia ( https://www.annamolofskylab.org/microglia-sequencing ). Furthermore, they reveal that molecularly distinct phagocytic programs mediate synaptic remodeling and cell engulfment, and establish zebrafish hindbrain as a model circuit for investigating microglial-synapse interactions.

Abstract Assigning cell identity to clusters of single cells is an essential step towards extracting biological insights from many genomics datasets. Although annotation workflows for datasets built with a single modality are well established, limitations exist in annotating cell types in datasets with multiple modalities due to the need for a framework to exploit them jointly. While, in principle, different modalities could convey complementary information about cell identity, it is unclear to what extent they can be combined to improve the accuracy and resolution of cell type annotations. Here, we present a conceptual framework to examine and jointly interrogate distinct modalities to identify cell types. We integrated our framework into a series of vignettes, using immune cells as a well-studied example, and demonstrate cell type annotation workflows ranging from using single-cell RNA-seq datasets alone, to using multiple modalities such as single-cell Multiome (RNA and chromatin accessibility), CITE-seq (RNA and surface proteins). In some cases, one or other single modality is superior to the other for identification of specific cell types, in others combining the two modalities improves resolution and the ability to identify finer subpopulations. Finally, we use interactive software from CZ CELLxGENE community tools to visualize and integrate histological and spatial transcriptomic data.

Summary Microglia are key remodelers of neuronal synapses during brain development, but the mechanisms that regulate this process and its ultimate impact on neural circuit function are not well defined. We previously identified the IL-1 family cytokine Interleukin-33 (IL-33) as a novel mediator of microglial synapse remodeling. Here we define the phagocytic program induced in microglia in response to IL-33. We find that IL-33 markedly alters the microglial enhancer landscape and exposes AP-1 transcription factor sites that promote target gene expression. We identify the scavenger receptor MARCO and the pattern recognition receptor TLR2 as downstream mediators of IL-33 dependent synapse engulfment. Conditional deletion of IL-33 in the CNS or its receptor on microglia results in increased numbers of excitatory synapses in the corticothalamic circuit and spontaneous epileptiform activity as well as increased seizure susceptibility by early adulthood. These findings define novel mechanisms through which IL-33 coordinates experience-dependent synaptic refinement to restrict hyperexcitability in the developing brain.

Hundreds of millions of single cells have been analyzed to date using high throughput transcriptomic methods, thanks to technological advances driving the increasingly rapid generation of single-cell data. This provides an exciting opportunity for unlocking new insights into health and disease, made possible by meta-analysis that span diverse datasets building on recent advances in large language models and other machine learning approaches. Despite the promise of these and emerging analytical tools for analyzing large amounts of data, a major challenge remains the sheer number of datasets and inconsistent format, data models and accessibility. Many datasets are available via unique portals platforms that often lack interoperability. Here, we present CZ CellxGene Discover (cellxgene.cziscience.com), a data platform that provides curated and interoperable data. This single-cell data resource, available via a free-to-use online data portal, hosts a growing corpus of community contributed data that spans more than 50 million unique cells. Curated, standardized, and associated with consistent cell-level metadata, this collection of interoperable single-cell transcriptomic data is the largest of its kind. A suite of tools and features enables accessibility and reusability of the data via both computational and visual interfaces to allow researchers to rapidly explore individual datasets and perform cross-corpus analysis. This functionality is enabling meta-analyses of tens of millions of cells across studies and tissues and providing global views of human cells at the resolution of single cells.

Single-cell RNA sequencing is revolutionizing our understanding of cell state dynamics, allowing researchers to observe the progression of individual cells' transcriptomic profiles over time. Among the computational techniques used to predict future cellular states, RNA velocity has emerged as a predominant tool for modeling transcriptional dynamics. RNA velocity leverages the mRNA maturation process to generate velocity vectors that predict the likely future state of a cell, offering insights into cellular differentiation, aging, and disease progression. Although this technique has shown promise across biological fields, the performance accuracy varies depending on the RNA velocity method and dataset. We established a comparative pipeline and analyzed the performance of five RNA velocity methods on three datasets based on local consistency, method agreement, identification of driver genes, and robustness to sequencing depth. This benchmark provides a resource for scientists to understand the strengths and limitations of different RNA velocity methods.

Mycobacterium tuberculosis (MTB) infects and replicates in lung mononuclear phagocytes (MNPs) with astounding ability to evade elimination. ESX-1, a type VII secretion system, acts as a virulence determinant that contributes to MTB's ability to survive within MNPs, but its effect on MNP recruitment and/or differentiation remains unknown. Here, using single-cell RNA sequencing, we studied the role of ESX-1 in MNP heterogeneity and response in mice and murine bone marrow-derived macrophages (BMDM). We found that ESX-1 is required for MTB to recruit diverse MNP subsets with high MTB burden. Further, MTB induces an anti-inflammatory signature in MNPs and BMDM in an ESX-1 dependent manner. Similarly, spatial transcriptomics revealed an upregulation of anti-inflammatory signals in MTB lesions, where monocyte-derived macrophages concentrate near MTB-infected cells. Together, our findings suggest that MTB ESX-1 mediates the recruitment and differentiation of anti-inflammatory MNPs, which MTB can infect and manipulate for survival.