The development of T helper (T H )17 and regulatory T (T reg ) cells is reciprocally regulated by cytokines. Transforming growth factor (TGF)-β alone induces FoxP3 + T reg cells, but together with IL-6 or IL-21 induces T H 17 cells. Here we demonstrate that IL-9 is a key molecule that affects differentiation of T H 17 cells and T reg function. IL-9 predominantly produced by T H 17 cells, synergizes with TGF-β1 to differentiate naïve CD4 + T cells into T H 17 cells, while IL-9 secretion by T H 17 cells is regulated by IL-23. Interestingly, IL-9 enhances the suppressive functions of FoxP3 + CD4 + T reg cells in vitro, and absence of IL-9 signaling weakens the suppressive activity of nT regs in vivo, leading to an increase in effector cells and worsening of experimental autoimmune encephalomyelitis. The mechanism of IL-9 effects on T H 17 and T regs is through activation of STAT3 and STAT5 signaling. Our findings highlight a role of IL-9 as a regulator of pathogenic versus protective mechanisms of immune responses.

Abstract The extent of microglial heterogeneity in humans remains a central yet poorly explored question in light of the development of therapies targeting this cell type. Here, we investigate the population structure of live microglia purified from human cerebral cortex samples obtained at autopsy and during neurosurgical procedures. Using single cell RNA sequencing, we find that some subsets are enriched for disease-related genes and RNA signatures. We confirm the presence of four of these microglial subpopulations histologically and illustrate the utility of our data by characterizing further microglial cluster 7, enriched for genes depleted in the cortex of individuals with Alzheimer’s disease (AD). Histologically, these cluster 7 microglia are reduced in frequency in AD tissue, and we validate this observation in an independent set of single nucleus data. Thus, our live human microglia identify a range of subtypes, and we prioritize one of these as being altered in AD.

In this issue, Thomas Kupper and colleagues report that mice deficient for ROR-γ or interleukin-23 (IL-23) receptor showed impaired melanoma growth. Tumor growth inhibition was dependent in part on IL-9 and T helper type 9 (TH9) cells. Moreover, the authors showed that IL-9 acts on mast cells rather than T or B cells to mediate its antitumor effects and that TH9 cells are present in human blood and skin, suggesting that a role for TH9 cells in human tumor immunity should be explored. Interleukin-9 (IL-9) is a T cell cytokine that acts through a γC-family receptor on target cells and is associated with inflammation and allergy. We determined that T cells from mice deficient in the T helper type 17 (TH17) pathway genes encoding retinoid-related orphan receptor γ (ROR-γ) and IL-23 receptor (IL-23R) produced abundant IL-9, and we found substantial growth inhibition of B16F10 melanoma in these mice. IL-9–blocking antibodies reversed this tumor growth inhibition and enhanced tumor growth in wild-type (WT) mice. Il9r−/− mice showed accelerated tumor growth, and administration of recombinant IL-9 (rIL-9) to tumor-bearing WT and Rag1−/− mice inhibited melanoma as well as lung carcinoma growth. Adoptive transfer of tumor-antigen–specific TH9 cells into both WT and Rag1−/− mice suppressed melanoma growth; this effect was abrogated by treatment with neutralizing antibodies to IL-9. Exogenous rIL-9 inhibited tumor growth in Rag1−/− mice but not in mast-cell–deficient mice, suggesting that the targets of IL-9 in this setting include mast cells but not T or B cells. In addition, we found higher numbers of TH9 cells in normal human skin and blood compared to metastatic lesions of subjects with progressive stage IV melanoma. These results suggest a role for IL-9 in tumor immunity and offer insight into potential therapeutic strategies.

With a rapidly aging global human population, finding a cure for late onset neurodegenerative diseases has become an urgent enterprise. However, these efforts are hindered by the lack of understanding of what constitutes the phenotype of aged human microglia-the cell type that has been strongly implicated by genetic studies in the pathogenesis of age-related neurodegenerative disease. Here, we establish the set of genes that is preferentially expressed by microglia in the aged human brain. This HuMi_Aged gene set captures a unique phenotype, which we confirm at the protein level. Furthermore, we find this gene set to be enriched in susceptibility genes for Alzheimer's disease and multiple sclerosis, to be increased with advancing age, and to be reduced by the protective APOEε2 haplotype. APOEε4 has no effect. These findings confirm the existence of an aging-related microglial phenotype in the aged human brain and its involvement in the pathological processes associated with brain aging.

Inflammation-mediated neurodegeneration occurs in the acute and the chronic phases of multiple sclerosis (MS) and its animal model, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). Classically activated (M1) microglia are key players mediating this process. Here, we identified Galectin-1 (Gal1), an endogenous glycan-binding protein, as a pivotal regulator of M1 microglial activation that targets the activation of p38MAPK-, CREB-, and NF-κB-dependent signaling pathways and hierarchically suppresses downstream proinflammatory mediators, such as iNOS, TNF, and CCL2. Gal1 bound to core 2 O-glycans on CD45, favoring retention of this glycoprotein on the microglial cell surface and augmenting its phosphatase activity and inhibitory function. Gal1 was highly expressed in the acute phase of EAE, and its targeted deletion resulted in pronounced inflammation-induced neurodegeneration. Adoptive transfer of Gal1-secreting astrocytes or administration of recombinant Gal1 suppressed EAE through mechanisms involving microglial deactivation. Thus, Gal1-glycan interactions are essential in tempering microglial activation, brain inflammation, and neurodegeneration, with critical therapeutic implications for MS.

Abstract Autoimmune diseases including type 1 diabetes (T1D) are thought to have a Th1/Th17 bias. The underlying mechanisms driving the activation and differentiation of these proinflammatory T cells are unknown. We examined the monocytes isolated directly from the blood of T1D patients and found they spontaneously secreted the proinflammatory cytokines IL-1β and IL-6, which are known to induce and expand Th17 cells. Moreover, these in vivo-activated monocytes from T1D subjects induced more IL-17-secreting cells from memory T cells compared with monocytes from healthy control subjects. The induction of IL-17-secreting T cells by monocytes from T1D subjects was reduced in vitro with a combination of an IL-6-blocking Ab and IL-1R antagonist. In this study, we report a significant although modest increase in the frequency of IL-17-secreting cells in lymphocytes from long-term patients with T1D compared with healthy controls. These data suggest that the innate immune system in T1D may drive the adaptive immune system by expanding the Th17 population of effector T cells.

Analysis of T cells isolated from patients with and without type 1 diabetes reveals reactivity to a range of native as well as post-translationally modified self-antigens only in individuals with T1D. A major therapeutic goal for type 1 diabetes (T1D) is to induce autoantigen-specific tolerance of T cells. This could suppress autoimmunity in those at risk for the development of T1D, as well as in those with established disease who receive islet replacement or regeneration therapy. Because functional studies of human autoreactive T cell responses have been limited largely to peripheral blood–derived T cells1,2,3, it is unclear how representative the peripheral T cell repertoire is of T cells infiltrating the islets. Our knowledge of the insulitic T cell repertoire is derived from histological and immunohistochemical analyses of insulitis4,5,6,7,8, the identification of autoreactive CD8+ T cells in situ, in islets of human leukocyte antigen (HLA)-A2+ donors9 and isolation and identification of DQ8 and DQ2–DQ8 heterodimer–restricted, proinsulin-reactive CD4+ T cells grown from islets of a single donor with T1D10. Here we present an analysis of 50 of a total of 236 CD4+ and CD8+ T cell lines grown from individual handpicked islets or clones directly sorted from handpicked, dispersed islets from nine donors with T1D. Seventeen of these T cell lines and clones reacted to a broad range of studied native islet antigens and to post-translationally modified peptides. These studies demonstrate the existence of a variety of islet-infiltrating, islet-autoantigen reactive T cells in individuals with T1D, and these data have implications for the design of successful immunotherapies.

Abstract Recent studies of bulk microglia have provided insights into the role of this immune cell type in central nervous system development, homeostasis and dysfunction. Nonetheless, our understanding of the diversity of human microglial cell states remains limited; microglia are highly plastic and have multiple different roles, making the extent of phenotypic heterogeneity a central question, especially in light of the development of therapies targeting this cell type. Here, we investigated the population structure of human microglia by single-cell RNA-sequencing. Using surgical- and autopsy-derived cortical brain samples, we identified 14 human microglial subpopulations and noted substantial intra- and inter-individual heterogeneity. These putative subpopulations display divergent associations with Alzheimer’s disease, multiple sclerosis, and other diseases. Several states show enrichment for genes found in disease-associated mouse microglial states, suggesting additional diversity among human microglia. Overall, human microglia appear to exist in different functional states with varying levels of involvement in different brain pathologies.

Abstract T cells, members of the adaptive immune system known for their ability to respond to an enormous variety of pathogens and other insults, are increasingly recognized as important mediators of pathology in neurodegeneration and other diseases. Previously, we and others have shown that T cell gene expression phenotypes are regulated by genetic variants associated with autoimmune disease, neurodegenerative disease, and inflammatory processes. However, many complex diseases have polygenic risk with thousands of common variants contributing a small amount to disease heritability. Here, we compute the polygenic risk score (PRS) of several autoimmune, neurological, and psychiatric disorders and present the first correlation of these PRSs with T cell gene expression, using transcriptomic and genomic sequencing data from a cohort of Alzheimer’s disease (AD) patients and age-matched controls. We validate our AD PRS against clinical metrics in our cohort and then compare PRS-associated genes across traits and four T cell subtypes. Several genes and biological pathways associated with the PRS for these traits relate to functions such as T cell chemotaxis, differentiation, response to and production of cytokines, and regulation of T cell receptor signaling. We also found that the trait-associated gene expression signature for certain traits was polarized towards a particular T cell subset, such as CD4+ for autoimmune disease traits or CD8+ for some psychiatric disease traits. Our findings may help guide efforts in precision medicine to target specific T cell functions in individuals with high polygenic risk for various complex diseases.

SUMMARY Group A Streptococcus (GAS) infections can cause neuropsychiatric sequelae in children due to post-infectious encephalitis. Multiple GAS infections induce migration of Th17 lymphocytes from the nose into the brain, which are critical for microglial activation, blood-brain barrier (BBB) and neural circuit impairment in a mouse disease model. How endothelial cells (ECs) and microglia respond to GAS infections, and which Th17-derived cytokines are essential for these responses are unknown. Using single-cell RNA sequencing and spatial transcriptomics, we found that ECs downregulate BBB genes and microglia upregulate interferon-response, chemokine and antigen-presentation genes after GAS infections. Several microglial-derived chemokines were elevated in patient sera. Administration of a neutralizing antibody against interleukin-17A (IL-17A), but not ablation of granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) in T cells, partially rescued BBB dysfunction and microglial expression of chemokine genes. Thus, IL-17A is critical for neuropsychiatric sequelae of GAS infections and may be targeted to treat these disorders.