Primitive Origins for Microglia Microglia are the resident macrophages of the central nervous system and are associated with neurodegeneration and brain inflammatory diseases. Although the developmental origins of other tissue macrophage populations are well established, the origins of microglia remain controversial. Ginhoux et al. (p. 841 , published online 21 October) used in vivo lineage tracing studies to show that microglia arise early in mouse development and derive from primitive macrophages in the yolk sac. This is in contrast to other cells of the mononuclear phagocyte system, which arise later in development from a distinct progenitor population.

Several studies have revealed that the hyper-inflammatory response induced by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is a major cause of disease severity and death. However, predictive biomarkers of pathogenic inflammation to help guide targetable immune pathways are critically lacking. We implemented a rapid multiplex cytokine assay to measure serum interleukin (IL)-6, IL-8, tumor necrosis factor (TNF)-α and IL-1β in hospitalized patients with coronavirus disease 2019 (COVID-19) upon admission to the Mount Sinai Health System in New York. Patients (n = 1,484) were followed up to 41 d after admission (median, 8 d), and clinical information, laboratory test results and patient outcomes were collected. We found that high serum IL-6, IL-8 and TNF-α levels at the time of hospitalization were strong and independent predictors of patient survival (P < 0.0001, P = 0.0205 and P = 0.0140, respectively). Notably, when adjusting for disease severity, common laboratory inflammation markers, hypoxia and other vitals, demographics, and a range of comorbidities, IL-6 and TNF-α serum levels remained independent and significant predictors of disease severity and death. These findings were validated in a second cohort of patients (n = 231). We propose that serum IL-6 and TNF-α levels should be considered in the management and treatment of patients with COVID-19 to stratify prospective clinical trials, guide resource allocation and inform therapeutic options. Elevated levels of serum IL-6 and TNF-α at the time of hospitalization are independent and significant predictors of clinical outcome in two cohorts of patients with COVID-19.

Summary

 Despite accumulating evidence suggesting local self-maintenance of tissue macrophages in the steady state, the dogma remains that tissue macrophages derive from monocytes. Using parabiosis and fate-mapping approaches, we confirmed that monocytes do not show significant contribution to tissue macrophages in the steady state. Similarly, we found that after depletion of lung macrophages, the majority of repopulation occurred by stochastic cellular proliferation in situ in a macrophage colony-stimulating factor (M-Csf)- and granulocyte macrophage (GM)-CSF-dependent manner but independently of interleukin-4. We also found that after bone marrow transplantation, host macrophages retained the capacity to expand when the development of donor macrophages was compromised. Expansion of host macrophages was functional and prevented the development of alveolar proteinosis in mice transplanted with GM-Csf-receptor-deficient progenitors. Collectively, these results indicate that tissue-resident macrophages and circulating monocytes should be classified as mononuclear phagocyte lineages that are independently maintained in the steady state.

Macrophages are critical for innate immune defense and also control organ homeostasis in a tissue-specific manner. They provide a fitting model to study the impact of ontogeny and microenvironment on chromatin state and whether chromatin modifications contribute to macrophage identity. Here, we profile the dynamics of four histone modifications across seven tissue-resident macrophage populations. We identify 12,743 macrophage-specific enhancers and establish that tissue-resident macrophages have distinct enhancer landscapes beyond what can be explained by developmental origin. Combining our enhancer catalog with gene expression profiles and open chromatin regions, we show that a combination of tissue- and lineage-specific transcription factors form the regulatory networks controlling chromatin specification in tissue-resident macrophages. The environment is capable of shaping the chromatin landscape of transplanted bone marrow precursors, and even differentiated macrophages can be reprogramed when transferred into a new microenvironment. These results provide a comprehensive view of macrophage regulatory landscape and highlight the importance of the microenvironment, along with pioneer factors in orchestrating identity and plasticity.

We assessed gene expression in tissue macrophages from various mouse organs. The diversity in gene expression among different populations of macrophages was considerable. Only a few hundred mRNA transcripts were selectively expressed by macrophages rather than dendritic cells, and many of these were not present in all macrophages. Nonetheless, well-characterized surface markers, including MerTK and FcγR1 (CD64), along with a cluster of previously unidentified transcripts, were distinctly and universally associated with mature tissue macrophages. TCEF3, C/EBP-α, Bach1 and CREG-1 were among the transcriptional regulators predicted to regulate these core macrophage-associated genes. The mRNA encoding other transcription factors, such as Gata6, was associated with single macrophage populations. We further identified how these transcripts and the proteins they encode facilitated distinguishing macrophages from dendritic cells.

The recent advent of methods for high-throughput single-cell molecular profiling has catalyzed a growing sense in the scientific community that the time is ripe to complete the 150-year-old effort to identify all cell types in the human body. The Human Cell Atlas Project is an international collaborative effort that aims to define all human cell types in terms of distinctive molecular profiles (such as gene expression profiles) and to connect this information with classical cellular descriptions (such as location and morphology). An open comprehensive reference map of the molecular state of cells in healthy human tissues would propel the systematic study of physiological states, developmental trajectories, regulatory circuitry and interactions of cells, and also provide a framework for understanding cellular dysregulation in human disease. Here we describe the idea, its potential utility, early proofs-of-concept, and some design considerations for the Human Cell Atlas, including a commitment to open data, code, and community.

Specific members of the intestinal microbiota dramatically affect inflammatory bowel disease (IBD) in mice. In humans, however, identifying bacteria that preferentially affect disease susceptibility and severity remains a major challenge. Here, we used flow-cytometry-based bacterial cell sorting and 16S sequencing to characterize taxa-specific coating of the intestinal microbiota with immunoglobulin A (IgA-SEQ) and show that high IgA coating uniquely identifies colitogenic intestinal bacteria in a mouse model of microbiota-driven colitis. We then used IgA-SEQ and extensive anaerobic culturing of fecal bacteria from IBD patients to create personalized disease-associated gut microbiota culture collections with predefined levels of IgA coating. Using these collections, we found that intestinal bacteria selected on the basis of high coating with IgA conferred dramatic susceptibility to colitis in germ-free mice. Thus, our studies suggest that IgA coating identifies inflammatory commensals that preferentially drive intestinal disease. Targeted elimination of such bacteria may reduce, reverse, or even prevent disease development.

To guide the design of immunotherapy strategies for patients with early stage lung tumors, we developed a multiscale immune profiling strategy to map the immune landscape of early lung adenocarcinoma lesions to search for tumor-driven immune changes. Utilizing a barcoding method that allows a simultaneous single-cell analysis of the tumor, non-involved lung, and blood cells, we provide a detailed immune cell atlas of early lung tumors. We show that stage I lung adenocarcinoma lesions already harbor significantly altered T cell and NK cell compartments. Moreover, we identified changes in tumor-infiltrating myeloid cell (TIM) subsets that likely compromise anti-tumor T cell immunity. Paired single-cell analyses thus offer valuable knowledge of tumor-driven immune changes, providing a powerful tool for the rational design of immune therapies. VIDEO ABSTRACT.

Summary

 Large numbers of melanoma lesions develop resistance to targeted inhibition of mutant BRAF or fail to respond to checkpoint blockade. We explored whether modulation of intratumoral antigen-presenting cells (APCs) could increase responses to these therapies. Using mouse melanoma models, we found that CD103⁺ dendritic cells (DCs) were the only APCs transporting intact antigens to the lymph nodes and priming tumor-specific CD8⁺ T cells. CD103⁺ DCs were required to promote anti-tumoral effects upon blockade of the checkpoint ligand PD-L1; however, PD-L1 inhibition only led to partial responses. Systemic administration of the growth factor FLT3L followed by intratumoral poly I:C injections expanded and activated CD103⁺ DC progenitors in the tumor, enhancing responses to BRAF and PD-L1 blockade and protecting mice from tumor rechallenge. Thus, the paucity of activated CD103⁺ DCs in tumors limits checkpoint-blockade efficacy and combined FLT3L and poly I:C therapy can enhance tumor responses to checkpoint and BRAF blockade.

Although classified as hematopoietic cells, tissue-resident macrophages (MFs) arise from embryonic precursors that seed the tissues prior to birth to generate a self-renewing population, which is maintained independently of adult hematopoiesis. Here we reveal the identity of these embryonic precursors using an in utero MF-depletion strategy and fate-mapping of yolk sac (YS) and fetal liver (FL) hematopoiesis. We show that YS MFs are the main precursors of microglia, while most other MFs derive from fetal monocytes (MOs). Both YS MFs and fetal MOs arise from erythro-myeloid progenitors (EMPs) generated in the YS. In the YS, EMPs gave rise to MFs without monocytic intermediates, while EMP seeding the FL upon the establishment of blood circulation acquired c-Myb expression and gave rise to fetal MOs that then seeded embryonic tissues and differentiated into MFs. Thus, adult tissue-resident MFs established from hematopoietic stem cell-independent embryonic precursors arise from two distinct developmental programs.