Human T cells coordinate adaptive immunity in diverse anatomic compartments through production of cytokines and effector molecules, but it is unclear how tissue site influences T cell persistence and function. Here, we use single cell RNA-sequencing (scRNA-seq) to define the heterogeneity of human T cells isolated from lungs, lymph nodes, bone marrow and blood, and their functional responses following stimulation. Through analysis of >50,000 resting and activated T cells, we reveal tissue T cell signatures in mucosal and lymphoid sites, and lineage-specific activation states across all sites including distinct effector states for CD8+ T cells and an interferon-response state for CD4+ T cells. Comparing scRNA-seq profiles of tumor-associated T cells to our dataset reveals predominant activated CD8+ compared to CD4+ T cell states within multiple tumor types. Our results therefore establish a high dimensional reference map of human T cell activation in health for analyzing T cells in disease.

Clinical manifestations of COVID-19 caused by the new coronavirus SARS-CoV-2 are associated with age1,2. Adults develop respiratory symptoms, which can progress to acute respiratory distress syndrome (ARDS) in the most severe form, while children are largely spared from respiratory illness but can develop a life-threatening multisystem inflammatory syndrome (MIS-C)3-5. Here, we show distinct antibody responses in children and adults after SARS-CoV-2 infection. Adult COVID-19 cohorts had anti-spike (S) IgG, IgM and IgA antibodies, as well as anti-nucleocapsid (N) IgG antibody, while children with and without MIS-C had reduced breadth of anti-SARS-CoV-2-specific antibodies, predominantly generating IgG antibodies specific for the S protein but not the N protein. Moreover, children with and without MIS-C had reduced neutralizing activity as compared to both adult COVID-19 cohorts, indicating a reduced protective serological response. These results suggest a distinct infection course and immune response in children independent of whether they develop MIS-C, with implications for developing age-targeted strategies for testing and protecting the population.

Despite their crucial role in health and disease, our knowledge of immune cells within human tissues remains limited. We surveyed the immune compartment of 16 tissues from 12 adult donors by single-cell RNA sequencing and VDJ sequencing generating a dataset of ~360,000 cells. To systematically resolve immune cell heterogeneity across tissues, we developed CellTypist, a machine learning tool for rapid and precise cell type annotation. Using this approach, combined with detailed curation, we determined the tissue distribution of finely phenotyped immune cell types, revealing hitherto unappreciated tissue-specific features and clonal architecture of T and B cells. Our multitissue approach lays the foundation for identifying highly resolved immune cell types by leveraging a common reference dataset, tissue-integrated expression analysis, and antigen receptor sequencing.

Adaptive immune responses to SARS-CoV-2 infection have been extensively characterized in blood; however, most functions of protective immunity must be accomplished in tissues. Here, we report from examination of SARS-CoV-2 seropositive organ donors (ages 10 to 74) that CD4+ T, CD8+ T, and B cell memory generated in response to infection is present in the bone marrow, spleen, lung, and multiple lymph nodes (LNs) for up to 6 months after infection. Lungs and lung-associated LNs were the most prevalent sites for SARS-CoV-2–specific memory T and B cells with significant correlations between circulating and tissue-resident memory T and B cells in all sites. We further identified SARS-CoV-2–specific germinal centers in the lung-associated LNs up to 6 months after infection. SARS-CoV-2–specific follicular helper T cells were also abundant in lung-associated LNs and lungs. Together, the results indicate local tissue coordination of cellular and humoral immune memory against SARS-CoV-2 for site-specific protection against future infectious challenges.

ABSTRACT Human T cells coordinate adaptive immunity by localization in diverse tissue sites, though blood T cells are the most readily studied. Here, we used single-cell RNA-seq to define the functional responses of T cells isolated from human lungs, lymph nodes, bone marrow, and blood to TCR-stimulation. We reveal how human T cells in tissues relate to those in blood, and define activation states for CD4 + and CD8 + T cells across all sites, including an interferon-response state for CD4 + T cells and distinct effector states for CD8 + T cells. We further show how profiles of individual tumor-associated T cells can be projected onto this healthy reference map, revealing their functional state.

During ontogeny, γδ T cells emerge from the thymus and directly seed peripheral tissues for in situ immunity. However, their functional role in humans has largely been defined from blood. Here, we analyzed the phenotype, transcriptome, function, and repertoire of human γδ T cells in blood and mucosal and lymphoid tissues from 176 donors across the life span, revealing distinct profiles in children compared with adults. In early life, clonally diverse Vδ1 subsets predominate across blood and tissues, comprising naïve and differentiated effector and tissue repair functions, whereas cytolytic Vδ2 subsets populate blood, spleen, and lungs. With age, Vδ1 and Vδ2 subsets exhibit clonal expansions and elevated cytolytic signatures, which are disseminated across sites. In adults, Vδ2 cells predominate in blood, whereas Vδ1 cells are enriched across tissues and express residency profiles. Thus, antigenic exposures over childhood drive the functional evolution and tissue compartmentalization of γδ T cells, leading to age-dependent roles in immunity.

The immune system comprises multiple cell lineages and heterogeneous subsets found in blood and tissues throughout the body. While human immune responses differ between sites and over age, the underlying sources of variation remain unclear as most studies are limited to peripheral blood. Here, we took a systems approach to comprehensively profile RNA and surface protein expression of over 1.25 million immune cells isolated from blood, lymphoid organs, and mucosal tissues of 24 organ donors aged 20-75 years. We applied a multimodal classifier to annotate the major immune cell lineages (T cells, B cells, innate lymphoid cells, and myeloid cells) and their corresponding subsets across the body, leveraging probabilistic modeling to define bases for immune variations across donors, tissue, and age. We identified dominant tissue-specific effects on immune cell composition and function across lineages for lymphoid sites, intestines, and blood-rich tissues. Age-associated effects were intrinsic to both lineage and site as manifested by macrophages in mucosal sites, B cells in lymphoid organs, and T and NK cells in blood-rich sites. Our results reveal tissue-specific signatures of immune homeostasis throughout the body and across different ages. This information provides a basis for defining the transcriptional underpinnings of immune variation and potential associations with disease-associated immune pathologies across the human lifespan.