There is pressing urgency to understand the pathogenesis of the severe acute respiratory syndrome coronavirus clade 2 (SARS-CoV-2), which causes the disease COVID-19. SARS-CoV-2 spike (S) protein binds angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), and in concert with host proteases, principally transmembrane serine protease 2 (TMPRSS2), promotes cellular entry. The cell subsets targeted by SARS-CoV-2 in host tissues and the factors that regulate ACE2 expression remain unknown. Here, we leverage human, non-human primate, and mouse single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) datasets across health and disease to uncover putative targets of SARS-CoV-2 among tissue-resident cell subsets. We identify ACE2 and TMPRSS2 co-expressing cells within lung type II pneumocytes, ileal absorptive enterocytes, and nasal goblet secretory cells. Strikingly, we discovered that ACE2 is a human interferon-stimulated gene (ISG) in vitro using airway epithelial cells and extend our findings to in vivo viral infections. Our data suggest that SARS-CoV-2 could exploit species-specific interferon-driven upregulation of ACE2, a tissue-protective mediator during lung injury, to enhance infection.

As regulatory T cell (Treg) adoptive therapy continues to develop clinically, there is a need to determine which immunomodulatory agents pair most compatibly with Tregs to enable persistence and stabilize suppressor function. Prior work has shown that mechanistic target of rapamycin (mTOR) inhibition can increase stability of thymic Tregs. In this study we investigated the transcriptomic signatures of ex-vivo expanded Tregs after adoptive transfer in the setting of clinically relevant immunosuppression using a non-human primate (NHP) model as a prelude to future transplant studies. Here, we found that adding interleukin-2 (IL2) to rapamycin in vivo supported a logarithmic increase in the half-life of adoptively transferred CFSE-labeled, autologous NHP Tregs, effectively doubling the number of cells in the peripheral blood Treg compartment compared to Treg infusion with rapamycin alone. Using single cell transcriptomics, we found that transferred ex-vivo expanded Tregs initially exhibit a gene expression signature consistent with an activated state. Moreover, those cells with the highest levels of activation also expressed genes associated with p53-mediated apoptosis. In contrast, transferred Tregs interrogated at Day +20 post-transfer demonstrated a gene signature more similar to published profiles of resting Tregs. Together, these preclinical data further support combining IL2 and rapamycin in vivo as adjunctive therapy for ex-vivo expanded adoptively transferred Tregs and suggest that the activation status of ex-vivo expanded Tregs is critical to their persistence.

Primates and rodents, which descended from a common ancestor more than 90 million years ago, exhibit profound differences in behavior and cognitive capacity. Modifications, specializations, and innovations to brain cell types may have occurred along each lineage. We used Drop-seq to profile RNA expression in more than 184,000 individual telencephalic interneurons from humans, macaques, marmosets, and mice. Conserved interneuron types varied significantly in abundance and RNA expression between mice and primates, but varied much more modestly among primates. In adult primates, the expression patterns of dozens of genes exhibited spatial expression gradients among neocortical interneurons, suggesting that adult neocortical interneurons are imprinted by their local cortical context. In addition, we found that an interneuron type previously associated with the mouse hippocampus--the "ivy cell", which has neurogliaform characteristics--has become abundant across the neocortex of humans, macaques, and marmosets. The most striking innovation was subcortical: we identified an abundant striatal interneuron type in primates that had no molecularly homologous cell population in mouse striatum, cortex, thalamus, or hippocampus. These interneurons, which expressed a unique combination of transcription factors, receptors, and neuropeptides, including the neuropeptide TAC3, constituted almost 30% of striatal interneurons in marmosets and humans. Understanding how gene and cell-type attributes changed or persisted over the evolutionary divergence of primates and rodents will guide the choice of models for human brain disorders and mutations and help to identify the cellular substrates of expanded cognition in humans and other primates.

Abstract There is growing appreciation for the emergence of CAR neg bystander T cells after CAR-T cell infusion. However, their phenotypic and transcriptomic hallmarks and mechanisms of activation remain uncertain. We performed single-cell RNA-Seq (scRNA-Seq) on non-human primate (NHP) and patient-derived T cells to interrogate CAR neg T cells following B cell targeted CAR-T cell therapy. In a NHP model, we observed a distinct population of activated CD8+ CAR neg T cells emerging during CAR-T cell expansion. These bystander CD8+ CAR neg T cells exhibited a unique transcriptional signature with upregulation of NK-cell markers ( KIR3DL2, CD160, KLRD1 ), chemokines and chemokine receptors ( CCL5, XCL1, CCR9 ), and downregulation of naive T cell-associated genes ( SELL, CD28 ). A transcriptionally similar population was identified in patients following Tisangelecleucel infusion. Mechanistic studies revealed that IL-2 and IL-15 exposure induced bystander-like CD8+ T cells. These T cells efficiently killed leukemic cells through a TCR-independent mechanism. Together, these data identify bystander CD8+ T cells as a novel mechanism by which CAR-T cell infusion can induce further anti-leukemic activity, measurable in both NHP and in patients. Statement of Significance We have deeply interrogated CAR neg bystander CD8+ T cells during CAR-T cell expansion in non­human primates and patients receiving Tisangelecleucel to identify the unique transcriptomic signature defining these cells, and to determine that IL-2-and IL-15-induced cytotoxic bystander T cells are capable of killing in a TCR-independent manner. These data highlight the potential of bystander T cells for leukemia control and provide a critical foundation for their future analysis.

ABSTRACT One of the central challenges in the field of allo-immunity is deciphering the mechanisms driving T cells to infiltrate and subsequently occupy target organs to cause disease. The act of CD8-dominated T cell infiltration is critical to acute graft-versus-host disease (aGVHD), wherein donor T cells become activated, tissue-infiltrating and highly cytotoxic, causing wide-spread tissue damage after allogeneic hematopoietic stem cell transplant (allo-HCT). However, in human and non-human primate studies, deconvolving the transcriptional programs of newly recruited relative to resident memory T cells in the gastrointestinal (GI) tract has remained a challenge. In this study, we combined the novel technique of Serial Intravascular Staining (SIVS) with single-cell RNA-Seq (scRNA-seq) to enable detailed dissection of the tightly connected processes by which T cells first infiltrate tissues and then establish a pathogenic tissue residency program after allo-HCT in non-human primates. Our results have enabled the creation of a spatiotemporal map of the transcriptional drivers of CD8 T cell infiltration into the primary aGVHD target-organ, the GI tract. We identify the large and small intestines as the only two sites demonstrating allo-specific, rather than lymphdepletion-driven T cell infiltration. The donor CD8 T cells that infiltrate the GI tract demonstrate a highly activated, cytotoxic phenotype while simultaneously rapidly developing canonical tissue-resident memory (T RM ) protein expression and transcriptional signatures, driven by IL-15/IL-21 signaling. Moreover, by combining SIVS and transcriptomic analysis, we have been able to work backwards from this pathogenic T RM programing, and, for the first time, identify a cluster of genes directly associated with tissue invasiveness, prominently including specific chemokines and adhesion molecules and their receptors, as well as a central cytoskeletal transcriptional node. The clinical relevance of this new tissue invasion signature was validated by its ability to discriminate the CD8 T cell transcriptome of patients with GI aGVHD. These results provide new insights into the mechanisms controlling tissue infiltration and pathogenic CD8 T RM transcriptional programing, uncovering critical transitions in allo-immune tissue invasion and destruction. One sentence summary Flow cytometric and transcriptomic analysis reveals coordinated tissue-infiltration and tissue-residency programs driving gastrointestinal aGVHD.

Abstract T cell receptor clonotype tracking is a powerful tool for interrogating T cell mediated immune processes. New methods to pair a single cell’s transcriptional program with its T cell receptor (TCR) identity allow monitoring of T cell clonotype-specific transcriptional dynamics. While these technologies have been available for human and mouse T cells studies, they have not been developed for Rhesus Macaques, a critical translational organism for autoimmune diseases, vaccine development and transplantation. We describe a new pipeline, ‘RM-scTCR-Seq’, which, for the first time, enables RM specific single cell TCR amplification, reconstitution and pairing of RM TCR’s with their transcriptional profiles. We apply this method to a RM model of GVHD, and identify and track in vitro detected alloreactive clonotypes in GVHD target organs and explore their GVHD driven cytotoxic T cell signature. This novel, state-of-the-art platform fundamentally advances the utility of RM to study protective and pathogenic T cell responses.

Abstract Notch signaling promotes T-cell pathogenicity and graft-versus-host disease (GVHD) after allogeneic hematopoietic cell transplantation (allo-HCT) in mice, with a dominant role for the Delta-like ligand DLL4. To assess if Notch’s effects are evolutionarily conserved and identify key mechanisms, we studied antibody-mediated DLL4 blockade in a non-human primate model similar to human allo-HCT. Short-term DLL4 blockade improved post-transplant survival with striking, durable protection from gastrointestinal GVHD, out of proportion to other disease sites. Unlike prior immunosuppressive strategies, anti-DLL4 interfered with a T-cell transcriptional program associated with intestinal infiltration. In cross-species investigations, Notch inhibition decreased surface abundance of the gut-homing integrin a4b7 in conventional T-cells via b1 competition for a4 binding, while preserving a4b7 in regulatory T-cells. Thereby, DLL4/Notch blockade decreased effector T-cell infiltration into the gut, with increased regulatory to conventional T-cell ratios early after allo-HCT. Our results identify a conserved, biologically unique and targetable role of DLL4/Notch signaling in GVHD. One Sentence Summary Notch signaling promotes pathogenic effector T cell infiltration of the intestine during acute graft-versus-host disease.