Long recognized to be potent suppressors of immune responses, Foxp3+CD4+ regulatory T (Treg) cells are being rediscovered as regulators of nonimmunological processes. We describe a phenotypically and functionally distinct population of Treg cells that rapidly accumulated in the acutely injured skeletal muscle of mice, just as invading myeloid-lineage cells switched from a proinflammatory to a proregenerative state. A Treg population of similar phenotype accumulated in muscles of genetically dystrophic mice. Punctual depletion of Treg cells during the repair process prolonged the proinflammatory infiltrate and impaired muscle repair, while treatments that increased or decreased Treg activities diminished or enhanced (respectively) muscle damage in a dystrophy model. Muscle Treg cells expressed the growth factor Amphiregulin, which acted directly on muscle satellite cells in vitro and improved muscle repair in vivo. Thus, Treg cells and their products may provide new therapeutic opportunities for wound repair and muscular dystrophies.

Foxp3+ T regulatory (Treg) cells regulate immune responses and maintain self-tolerance. Recent work shows that Treg cells are comprised of many subpopulations with specialized regulatory functions. Here we identified Foxp3+ T cells expressing the coinhibitory molecule TIGIT as a distinct Treg cell subset that specifically suppresses proinflammatory T helper 1 (Th1) and Th17 cell, but not Th2 cell responses. Transcriptional profiling characterized TIGIT+ Treg cells as an activated Treg cell subset with high expression of Treg signature genes. Ligation of TIGIT on Treg cells induced expression of the effector molecule fibrinogen-like protein 2 (Fgl2), which promoted Treg-cell-mediated suppression of T effector cell proliferation. In addition, Fgl2 was necessary to prevent suppression of Th2 cytokine production in a model of allergic airway inflammation. TIGIT expression therefore identifies a Treg cell subset that demonstrates selectivity for suppression of Th1 and Th17 cell but not Th2 cell responses.

Gut microbes make T cells keep the peace Our guts harbor trillions of microbial inhabitants, some of which regulate the types of immune cells that are present in the gut. For instance, Clostridium species of bacteria induce a type of T cell that promotes tolerance between the host and its microbial contents. Ohnmacht et al. and Sefik et al. characterized a population of gut regulatory T cells in mice, which required gut microbiota to survive. Multiple bacterial species of the microbiota could induce transcription factor–expressing regulatory T cells that helped maintain immune homeostasis. Mice engineered to lack these transcription factors exhibited enhanced susceptibility to colonic inflammation and had elevated amounts of proinflammatory molecules associated with allergies (see the Perspective by Hegazy and Powrie). Science , this issue pp. 989 and 993

Summary

 Within the human gut reside diverse microbes coexisting with the host in a mutually advantageous relationship. Evidence has revealed the pivotal role of the gut microbiota in shaping the immune system. To date, only a few of these microbes have been shown to modulate specific immune parameters. Herein, we broadly identify the immunomodulatory effects of phylogenetically diverse human gut microbes. We monocolonized mice with each of 53 individual bacterial species and systematically analyzed host immunologic adaptation to colonization. Most microbes exerted several specialized, complementary, and redundant transcriptional and immunomodulatory effects. Surprisingly, these were independent of microbial phylogeny. Microbial diversity in the gut ensures robustness of the microbiota's ability to generate a consistent immunomodulatory impact, serving as a highly important epigenetic system. This study provides a foundation for investigation of gut microbiota-host mutualism, highlighting key players that could identify important therapeutics.

Vertebrates typically harbor a rich gastrointestinal microbiota, which has coevolved with the host over millennia and is essential for several host physiological functions, in particular maturation of the immune system. Recent studies have highlighted the importance of a single bacterial species, segmented filamentous bacteria (SFB), in inducing a robust T-helper cell type 17 (Th17) population in the small-intestinal lamina propria (SI-LP) of the mouse gut. Consequently, SFB can promote IL-17–dependent immune and autoimmune responses, gut-associated as well as systemic, including inflammatory arthritis and experimental autoimmune encephalomyelitis. Here, we exploit the incomplete penetrance of SFB colonization of NOD mice in our animal facility to explore its impact on the incidence and course of type 1 diabetes in this prototypical, spontaneous model. There was a strong cosegregation of SFB positivity and diabetes protection in females, but not in males, which remained relatively disease-free regardless of the SFB status. In contrast, insulitis did not depend on SFB colonization. SFB-positive, but not SFB-negative, females had a substantial population of Th17 cells in the SI-LP, which was the only significant, repeatable difference in the examined T-cell compartments of the gut, pancreas, or systemic lymphoid tissues. Th17-signature transcripts dominated the very limited SFB-induced molecular changes detected in SI-LP CD4 + T cells. Thus, a single bacterium, and the gut immune system alterations associated with it, can either promote or protect from autoimmunity in predisposed mouse models, probably reflecting their variable dependence on different Th subsets.

Severe COVID-19 is characterized by persistent lung inflammation, inflammatory cytokine production, viral RNA and a sustained interferon (IFN) response, all of which are recapitulated and required for pathology in the SARS-CoV-2-infected MISTRG6-hACE2 humanized mouse model of COVID-19, which has a human immune system1–20. Blocking either viral replication with remdesivir21–23 or the downstream IFN-stimulated cascade with anti-IFNAR2 antibodies in vivo in the chronic stages of disease attenuates the overactive immune inflammatory response, especially inflammatory macrophages. Here we show that SARS-CoV-2 infection and replication in lung-resident human macrophages is a critical driver of disease. In response to infection mediated by CD16 and ACE2 receptors, human macrophages activate inflammasomes, release interleukin 1 (IL-1) and IL-18, and undergo pyroptosis, thereby contributing to the hyperinflammatory state of the lungs. Inflammasome activation and the accompanying inflammatory response are necessary for lung inflammation, as inhibition of the NLRP3 inflammasome pathway reverses chronic lung pathology. Notably, this blockade of inflammasome activation leads to the release of infectious virus by the infected macrophages. Thus, inflammasomes oppose host infection by SARS-CoV-2 through the production of inflammatory cytokines and suicide by pyroptosis to prevent a productive viral cycle. A new humanized mouse model for COVID-19 demonstrates SARS-CoV-2 infection and subsequent activation of inflammasomes in human macrophages as a critical driver of disease.

Significance Th17 cells accumulate in the gut, where they mediate barrier defenses and repair but can also provoke inflammatory disease. In mice, segmented filamentous bacteria (SFB) is sufficient to induce Th17 cells in the gut, but functionally analogous microbes in humans have not been defined. Here, we identified Bifidobacterium adolescentis as one of several human symbiont bacterial species that could, alone, induce Th17 cells in the small intestine of mice. B. adolescentis and SFB exhibited overlapping but also distinct activities, suggesting multiple routes to intestinal Th17 induction. Like SFB, B. adolescentis exacerbated autoimmune arthritis, arguing for its pathological relevance. Our results help to inform the search for therapeutic targets in diseases associated with Th17 responses and mucosal dysfunction.

Abstract Severe COVID-19 is characterized by persistent lung inflammation, inflammatory cytokine production, viral RNA, and sustained interferon (IFN) response all of which are recapitulated and required for pathology in the SARS-CoV-2 infected MISTRG6-hACE2 humanized mouse model of COVID-19 with a human immune system 1-20 . Blocking either viral replication with Remdesivir 21-23 or the downstream IFN stimulated cascade with anti-IFNAR2 in vivo in the chronic stages of disease attenuated the overactive immune-inflammatory response, especially inflammatory macrophages. Here, we show SARS-CoV-2 infection and replication in lung-resident human macrophages is a critical driver of disease. In response to infection mediated by CD16 and ACE2 receptors, human macrophages activate inflammasomes, release IL-1 and IL-18 and undergo pyroptosis thereby contributing to the hyperinflammatory state of the lungs. Inflammasome activation and its accompanying inflammatory response is necessary for lung inflammation, as inhibition of the NLRP3 inflammasome pathway reverses chronic lung pathology. Remarkably, this same blockade of inflammasome activation leads to the release of infectious virus by the infected macrophages. Thus, inflammasomes oppose host infection by SARS-CoV-2 by production of inflammatory cytokines and suicide by pyroptosis to prevent a productive viral cycle.

Abstract Traditional cell clustering analysis used to compare the transcriptomic landscapes between two biological states in single cell RNA sequencing (scRNA-seq) is largely inadequate to functionally identify distinct and important differentially abundant (DA) subpopulations between groups. This problem is exacerbated further when using unsupervised clustering approaches where differences are not observed in clear cluster structure and therefore many important differences between two biological states go entirely unseen. Here, we develop DA-seq, a powerful unbiased, multi-scale algorithm that uniquely detects and decodes novel DA subpopulations not restricted to well separated clusters or known cell types. We apply DA-seq to several publicly available scRNA-seq datasets on various biological systems to detect differences between distinct phenotype in COVID-19 cases, melanomas subjected to immune checkpoint therapy, embryonic development and aging brain, as well as simulated data. Importantly, we find that DA-seq not only recovers the DA cell types as discovered in the original studies, but also reveals new DA subpopulations that were not described before. Analysis of these novel subpopulations yields new biological insights that would otherwise be neglected.