According to the hygiene hypothesis, the increasing incidence of autoimmune diseases in western countries may be explained by changes in early microbial exposure, leading to altered immune maturation. We followed gut microbiome development from birth until age three in 222 infants in Northern Europe, where early-onset autoimmune diseases are common in Finland and Estonia but are less prevalent in Russia. We found that Bacteroides species are lowly abundant in Russians but dominate in Finnish and Estonian infants. Therefore, their lipopolysaccharide (LPS) exposures arose primarily from Bacteroides rather than from Escherichia coli, which is a potent innate immune activator. We show that Bacteroides LPS is structurally distinct from E. coli LPS and inhibits innate immune signaling and endotoxin tolerance; furthermore, unlike LPS from E. coli, B. dorei LPS does not decrease incidence of autoimmune diabetes in non-obese diabetic mice. Early colonization by immunologically silencing microbiota may thus preclude aspects of immune education.

Colonization of the fetal and infant gut microbiome results in dynamic changes in diversity, which can impact disease susceptibility. To examine the relationship between human gut microbiome dynamics throughout infancy and type 1 diabetes (T1D), we examined a cohort of 33 infants genetically predisposed to T1D. Modeling trajectories of microbial abundances through infancy revealed a subset of microbial relationships shared across most subjects. Although strain composition of a given species was highly variable between individuals, it was stable within individuals throughout infancy. Metabolic composition and metabolic pathway abundance remained constant across time. A marked drop in alpha-diversity was observed in T1D progressors in the time window between seroconversion and T1D diagnosis, accompanied by spikes in inflammation-favoring organisms, gene functions, and serum and stool metabolites. This work identifies trends in the development of the human infant gut microbiome along with specific alterations that precede T1D onset and distinguish T1D progressors from nonprogressors.

Type 1 diabetes (T1D) is an autoimmune disease that targets pancreatic islet beta cells and incorporates genetic and environmental factors1, including complex genetic elements2, patient exposures3 and the gut microbiome4. Viral infections5 and broader gut dysbioses6 have been identified as potential causes or contributing factors; however, human studies have not yet identified microbial compositional or functional triggers that are predictive of islet autoimmunity or T1D. Here we analyse 10,913 metagenomes in stool samples from 783 mostly white, non-Hispanic children. The samples were collected monthly from three months of age until the clinical end point (islet autoimmunity or T1D) in the The Environmental Determinants of Diabetes in the Young (TEDDY) study, to characterize the natural history of the early gut microbiome in connection to islet autoimmunity, T1D diagnosis, and other common early life events such as antibiotic treatments and probiotics. The microbiomes of control children contained more genes that were related to fermentation and the biosynthesis of short-chain fatty acids, but these were not consistently associated with particular taxa across geographically diverse clinical centres, suggesting that microbial factors associated with T1D are taxonomically diffuse but functionally more coherent. When we investigated the broader establishment and development of the infant microbiome, both taxonomic and functional profiles were dynamic and highly individualized, and dominated in the first year of life by one of three largely exclusive Bifidobacterium species (B. bifidum, B. breve or B. longum) or by the phylum Proteobacteria. In particular, the strain-specific carriage of genes for the utilization of human milk oligosaccharide within a subset of B. longum was present specifically in breast-fed infants. These analyses of TEDDY gut metagenomes provide, to our knowledge, the largest and most detailed longitudinal functional profile of the developing gut microbiome in relation to islet autoimmunity, T1D and other early childhood events. Together with existing evidence from human cohorts7,8 and a T1D mouse model9, these data support the protective effects of short-chain fatty acids in early-onset human T1D. An analysis of more than 10,000 metagenomes from the TEDDY study provides a detailed functional profile of the gut microbiome in relation to islet autoimmunity, and supports the protective effects of short-chain fatty acids in early-onset type 1 diabetes.

During persistent antigen stimulation, CD8+ T cells show a gradual decrease in effector function, referred to as exhaustion, which impairs responses in the setting of tumors and infections. Here we demonstrate that the transcription factor NFAT controls the program of T cell exhaustion. When expressed in cells, an engineered form of NFAT1 unable to interact with AP-1 transcription factors diminished T cell receptor (TCR) signaling, increased the expression of inhibitory cell surface receptors, and interfered with the ability of CD8+ T cells to protect against Listeria infection and attenuate tumor growth in vivo. We defined the genomic regions occupied by endogenous and engineered NFAT1 in primary CD8+ T cells and showed that genes directly induced by the engineered NFAT1 overlapped with genes expressed in exhausted CD8+ T cells in vivo. Our data show that NFAT promotes T cell anergy and exhaustion by binding at sites that do not require cooperation with AP-1.

The CXXC domains of TET2 (encoded by the distinct gene IDAX) and TET3 are found to have previously unknown roles in the regulation of TET proteins through the activation of caspases and subsequent reduction in TET catalytic activity; this regulation is dependent on DNA binding through the CXXC domain. TET family proteins modify the methylation status of DNA by oxidizing 5-methylcytosine to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC, sometimes called the 'fifth base' of DNA) and other intermediates. TET1 and TET3 contain a CXXC domain but the ancestral CXXC domain of TET2 is encoded by a distinct gene, IDAX (or CXXC4). This paper demonstrates that IDAX binds unmethylated CpG-rich DNA via its CXXC domain and recruits TET2. The separate and linked CXXC domains of TET2 and TET3 are shown to act as regulators of caspase activation and TET enzymatic activity. The authors suggest that future studies should focus on the genomic targets of TET2, IDAX and the IDAX-related protein CXXC5 in normal development and in cancer. TET (ten-eleven-translocation) proteins are Fe(ii)- and α-ketoglutarate-dependent dioxygenases1,2,3 that modify the methylation status of DNA by successively oxidizing 5-methylcytosine to 5-hydroxymethylcytosine, 5-formylcytosine and 5-carboxycytosine1,3,4,5, potential intermediates in the active erasure of DNA-methylation marks5,6. Here we show that IDAX (also known as CXXC4), a reported inhibitor of Wnt signalling7 that has been implicated in malignant renal cell carcinoma8 and colonic villous adenoma9, regulates TET2 protein expression. IDAX was originally encoded within an ancestral TET2 gene that underwent a chromosomal gene inversion during evolution, thus separating the TET2 CXXC domain from the catalytic domain. The IDAX CXXC domain binds DNA sequences containing unmethylated CpG dinucleotides, localizes to promoters and CpG islands in genomic DNA and interacts directly with the catalytic domain of TET2. Unexpectedly, IDAX expression results in caspase activation and TET2 protein downregulation, in a manner that depends on DNA binding through the IDAX CXXC domain, suggesting that IDAX recruits TET2 to DNA before degradation. IDAX depletion prevents TET2 downregulation in differentiating mouse embryonic stem cells, and short hairpin RNA against IDAX increases TET2 protein expression in the human monocytic cell line U937. Notably, we find that the expression and activity of TET3 is also regulated through its CXXC domain. Taken together, these results establish the separate and linked CXXC domains of TET2 and TET3, respectively, as previously unknown regulators of caspase activation and TET enzymatic activity.

Ten-eleven translocation (TET) enzymes oxidize 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine and other oxidized methylcytosines, intermediates in DNA demethylation. In this study, we examine the role of TET proteins in regulating Foxp3, a transcription factor essential for the development and function of regulatory T cells (T reg cells), a distinct lineage of CD4+ T cells that prevent autoimmunity and maintain immune homeostasis. We show that during T reg cell development in the thymus, TET proteins mediate the loss of 5mC in T reg cell–specific hypomethylated regions, including CNS1 and CNS2, intronic cis-regulatory elements in the Foxp3 locus. Similar to CNS2-deficient T reg cells, the stability of Foxp3 expression is markedly compromised in T reg cells from Tet2/Tet3 double-deficient mice. Vitamin C potentiates TET activity and acts through Tet2/Tet3 to increase the stability of Foxp3 expression in TGF-β–induced T reg cells. Our data suggest that targeting TET enzymes with small molecule activators such as vitamin C might increase induced T reg cell efficacy.

T cell large granular lymphocytic leukemia (T-LGLL) is a rare lymphoproliferative disorder of mature, clonally expanded T cells, where somatic-activating STAT3 mutations are common. Although T-LGLL has been described as a chronic T cell response to an antigen, the function of the non-leukemic immune system in this response is largely uncharacterized. Here, by utilizing single-cell RNA and T cell receptor profiling (scRNA+TCRαβ-seq), we show that irrespective of STAT3 mutation status, T-LGLL clonotypes are more cytotoxic and exhausted than healthy reactive clonotypes. In addition, T-LGLL clonotypes show more active cell communication than reactive clones with non-leukemic immune cells via costimulatory cell-cell interactions, monocyte-secreted proinflammatory cytokines, and T-LGLL-clone-secreted IFNγ. Besides the leukemic repertoire, the non-leukemic T cell repertoire in T-LGLL is also more mature, cytotoxic, and clonally restricted than in other cancers and autoimmune disorders. Finally, 72% of the leukemic T-LGLL clonotypes share T cell receptor similarities with their non-leukemic repertoire, linking the leukemic and non-leukemic repertoires together via possible common target antigens. Our results provide a rationale to prioritize therapies that target the entire immune repertoire and not only the T-LGLL clonotype.

Immunoglobulin G4-related disease (IgG4-RD) and systemic sclerosis (SSc) are rare autoimmune diseases characterized by the presence of CD4+ cytotoxic T cells in the blood as well as inflammation and fibrosis in various organs, but they have no established etiologies. Similar to other autoimmune diseases, the gut microbiome might encode disease-triggering or disease-sustaining factors.The gut microbiomes from IgG4-RD and SSc patients as well as healthy individuals with no recent antibiotic treatment were studied by metagenomic sequencing of stool DNA. De novo assembly-based taxonomic and functional characterization, followed by association and accessory gene set enrichment analysis, were applied to describe microbiome changes associated with both diseases.Microbiomes of IgG4-RD and SSc patients distinctly separated from those of healthy controls: numerous opportunistic pathogenic Clostridium and typically oral Streptococcus species were significantly overabundant, while Alistipes, Bacteroides, and butyrate-producing species were depleted in the two diseases compared to healthy controls. Accessory gene content analysis in these species revealed an enrichment of Th17-activating Eggerthella lenta strains in IgG4-RD and SSc and a preferential colonization of a homocysteine-producing strain of Clostridium bolteae in SSc. Overabundance of the classical mevalonate pathway, hydroxyproline dehydratase, and fibronectin-binding protein in disease microbiomes reflects potential functional differences in host immune recognition and extracellular matrix utilization associated with fibrosis. Strikingly, the majority of species that were differentially abundant in IgG4-RD and SSc compared to controls showed the same directionality in both diseases. Compared with multiple sclerosis and rheumatoid arthritis, the gut microbiomes of IgG4-RD and SSc showed similar signatures; in contrast, the most differentially abundant taxa were not the facultative anaerobes consistently identified in inflammatory bowel diseases, suggesting the microbial signatures of IgG4-RD and SSc do not result from mucosal inflammation and decreased anaerobism.These results provide an initial characterization of gut microbiome ecology in fibrosis-prone IgG4-RD and SSc and reveal microbial functions that offer insights into the pathophysiology of these rare diseases.

SUMMARY Natural killer (NK) cells are emerging as a promising therapeutic option in cancer. To better understand how cancer cells evade NK cells, we studied interacting NK and blood cancer cells using single-cell and genome-scale functional genomics screens. At single-cell resolution, interaction of NK and cancer cells induced distinct activation states in both cell types depending on the cancer cell lineage and molecular phenotype, ranging from more sensitive myeloid to more resistant B-lymphoid cancers. CRISPR screens uncovered cancer cell-intrinsic genes driving sensitivity and resistance, including antigen presentation and death receptor signaling mediators, adhesion molecules, protein fucosylation genes, and transcriptional regulators. CRISPR screens with a single-cell transcriptomic readout revealed how these cancer cell genes influenced the gene expression landscape of both cell types, including regulation of activation states in both cancer and NK cells by IFNγ signaling. Our findings provide a resource for rational design of NK cell-based therapies in blood cancers. HIGHLIGHTS Transcriptomic states of interacting NK cells and cancer cells depend on cancer cell lineage Molecular correlates of increased sensitivity of myeloid compared to B-lymphoid cancers include activating receptor ligands NCR3LG1, PVR, and ULBP1 New regulators of NK cell resistance from 12 genome-scale CRISPR screens include blood cancer-specific regulators SELPLG, SPN, and MYB Single-cell transcriptomics CRISPR screens targeting 65 genome-wide screen hits identify MHC-I, IFNy, and NF-κB regulation as underlying mechanisms

Abstract Estimating microbe-microbe interactions is critical for understanding the ecological laws governing microbial communities. Rapidly decreasing sequencing costs have promised new opportunities to estimate microbe-microbe interactions across thousands of uncultured, unknown microbes. However, typical microbiome datasets are very high dimensional and accurate estimation of microbial correlations requires tens of thousands of samples, exceeding the computational capabilities of existing methodologies. Furthermore, the vast majority of microbiome studies collect compositional metagenomics data which enforces a negative bias when computing microbe-microbe correlations. The Multinomial Logistic Normal (MLN) distribution has been shown to be effective at inferring microbe-microbe correlations, however scalable Bayesian inference of these distributions has remained elusive. Here, we show that carefully constructed Variational Autoencoders (VAEs) augmented with the Isometric Log-ratio (ILR) transform can estimate low-rank MLN distributions thousands of times faster than existing methods. These VAEs can be trained on tens of thousands of samples, enabling co-occurrence inference across tens of thousands of microbes without regularization. The latent embedding distances computed from these VAEs are competitive with existing beta-diversity methods across a variety of mouse and human microbiome classification and regression tasks, with notable improvements on longitudinal studies.