The expression of co-inhibitory receptors, such as CTLA-4 and PD-1, on effector T cells is a key mechanism for ensuring immune homeostasis. Dysregulated expression of co-inhibitory receptors on CD4+ T cells promotes autoimmunity, whereas sustained overexpression on CD8+ T cells promotes T cell dysfunction or exhaustion, leading to impaired ability to clear chronic viral infections and diseases such as cancer1,2. Here, using RNA and protein expression profiling at single-cell resolution in mouse cells, we identify a module of co-inhibitory receptors that includes not only several known co-inhibitory receptors (PD-1, TIM-3, LAG-3 and TIGIT) but also many new surface receptors. We functionally validated two new co-inhibitory receptors, activated protein C receptor (PROCR) and podoplanin (PDPN). The module of co-inhibitory receptors is co-expressed in both CD4+ and CD8+ T cells and is part of a larger co-inhibitory gene program that is shared by non-responsive T cells in several physiological contexts and is driven by the immunoregulatory cytokine IL-27. Computational analysis identified the transcription factors PRDM1 and c-MAF as cooperative regulators of the co-inhibitory module, and this was validated experimentally. This molecular circuit underlies the co-expression of co-inhibitory receptors in T cells and identifies regulators of T cell function with the potential to control autoimmunity and tumour immunity. A module of co-inhibitory T cell receptors, driven by the cytokine IL-27, is identified in mice that is regulated by the transcription factors PRDM1 and c-MAF.

Reversing the dysfunctional T cell state that arises in cancer and chronic viral infections is the focus of therapeutic interventions; however, current therapies are effective in only some patients and some tumor types. To gain a deeper molecular understanding of the dysfunctional T cell state, we analyzed population and single-cell RNA profiles of CD8+ tumor-infiltrating lymphocytes (TILs) and used genetic perturbations to identify a distinct gene module for T cell dysfunction that can be uncoupled from T cell activation. This distinct dysfunction module is downstream of intracellular metallothioneins that regulate zinc metabolism and can be identified at single-cell resolution. We further identify Gata-3, a zinc-finger transcription factor in the dysfunctional module, as a regulator of dysfunction, and we use CRISPR-Cas9 genome editing to show that it drives a dysfunctional phenotype in CD8+ TILs. Our results open novel avenues for targeting dysfunctional T cell states while leaving activation programs intact.

Th17 cells play a critical role in host defense against extracellular pathogens and tissue homeostasis but can induce autoimmunity. The mechanisms implicated in balancing “pathogenic” and “non-pathogenic” Th17 cell states remain largely unknown. We used single-cell RNA-seq to identify CD5L/AIM as a regulator expressed in non-pathogenic, but not in pathogenic Th17 cells. Although CD5L does not affect Th17 differentiation, it is a functional switch that regulates the pathogenicity of Th17 cells. Loss of CD5L converts non-pathogenic Th17 cells into pathogenic cells that induce autoimmunity. CD5L mediates this effect by modulating the intracellular lipidome, altering fatty acid composition and restricting cholesterol biosynthesis and, thus, ligand availability for Rorγt, the master transcription factor of Th17 cells. Our study identifies CD5L as a critical regulator of the Th17 cell functional state and highlights the importance of lipid metabolism in balancing immune protection and disease induced by T cells.

Metabolism is a major regulator of immune cell function, but it remains difficult to study the metabolic status of individual cells. Here, we present Compass, an algorithm to characterize cellular metabolic states based on single-cell RNA sequencing and flux balance analysis. We applied Compass to associate metabolic states with T helper 17 (Th17) functional variability (pathogenic potential) and recovered a metabolic switch between glycolysis and fatty acid oxidation, akin to known Th17/regulatory T cell (Treg) differences, which we validated by metabolic assays. Compass also predicted that Th17 pathogenicity was associated with arginine and downstream polyamine metabolism. Indeed, polyamine-related enzyme expression was enhanced in pathogenic Th17 and suppressed in Treg cells. Chemical and genetic perturbation of polyamine metabolism inhibited Th17 cytokines, promoted Foxp3 expression, and remodeled the transcriptome and epigenome of Th17 cells toward a Treg-like state. In vivo perturbations of the polyamine pathway altered the phenotype of encephalitogenic T cells and attenuated tissue inflammation in CNS autoimmunity.

The β-galactoside-binding protein galectin-9 is critical in regulating the immune response, but the mechanism by which it functions remains unclear. We have demonstrated that galectin-9 is highly expressed by induced regulatory T cells (iTreg) and was crucial for the generation and function of iTreg cells, but not natural regulatory T (nTreg) cells. Galectin-9 expression within iTreg cells was driven by the transcription factor Smad3, forming a feed-forward loop, which further promoted Foxp3 expression. Galectin-9 increased iTreg cell stability and function by directly binding to its receptor CD44, which formed a complex with transforming growth factor-β (TGF-β) receptor I (TGF-βRI), and activated Smad3. Galectin-9 signaling was further found to regulate iTreg cell induction by dominantly acting through the CNS1 region of the Foxp3 locus. Our data suggest that exogenous galectin-9, in addition to being an effector molecule for Treg cells, acts synergistically with TGF-β to enforce iTreg cell differentiation and maintenance.

Interleukin-27 (IL-27) is an immunoregulatory cytokine that suppresses inflammation through multiple mechanisms, including induction of IL-10, but the transcriptional network mediating its diverse functions remains unclear. Combining temporal RNA profiling with computational algorithms, we predict 79 transcription factors induced by IL-27 in T cells. We validate 11 known and discover 5 positive (Cebpb, Fosl2, Tbx21, Hlx, and Atf3) and 2 negative (Irf9 and Irf8) Il10 regulators, generating an experimentally refined regulatory network for Il10. We report two central regulators, Prdm1 and Maf, that cooperatively drive the expression of signature genes induced by IL-27 in type 1 regulatory T cells, mediate IL-10 expression in all T helper cells, and determine the regulatory phenotype of colonic Foxp3+ regulatory T cells. Prdm1/Maf double-knockout mice develop spontaneous colitis, phenocopying ll10-deficient mice. Our work provides insights into IL-27-driven transcriptional networks and identifies two shared Il10 regulators that orchestrate immunoregulatory programs across T helper cell subsets.

Abstract Th17 cells are a heterogenous cell population consisting of non-pathogenic Th17 cells (npTh17) that contribute to tissue homeostasis and pathogenic Th17 cells (pTh17) that are potent mediators of tissue inflammation. To reveal regulatory mechanisms underlying Th17 heterogeneity, we performed combined ATAC-seq and RNA-seq and discovered substantial differences in the chromatin landscape of npTh17 and pTh17 cells both in vitro and in vivo . Compared to other CD4 + T cell subsets, npTh17 cells share accessible chromatin programs with T regs , and pTh17 cells have an intermediate profile spanning features of npTh17 cells and Th1 cells. Integrating single-cell ATAC-seq and single-cell RNA-seq, we inferred self-reinforcing and mutually exclusive regulatory networks controlling the different cell states and predicted transcription factors (TFs) shaping the chromatin landscape of Th17 cell pathogenicity. We validated one novel TF, BACH2, which promotes immunomodulatory npTh17 programs and restrains pro-inflammatory Th1-like programs in Th17 cells and showed genetic evidence for protective variants in the human BACH2 locus associated with multiple sclerosis. Our work uncovered mechanisms that regulate Th17 heterogeneity, revealed shared regulatory programs with other CD4 + T cell subsets, and identified novel drivers of Th17 pathogenicity as potential targets to mitigate autoimmunity.

Abstract Innate immune responses against microbial pathogens in both plants and animals are regulated by intracellular receptors known as Nucleotide-binding Leucine-rich Repeats (NLR) proteins. In plants, these NLRs play a crucial role in recognizing pathogen effectors, thereby initiating the activation of immune defense mechanisms. Notably, certain NLRs serve as “helper” NLR immune receptors (hNLR), working in tandem with “sensor” NLR immune receptors (sNLR) counterparts to orchestrate downstream signaling events to express disease resistance. In this study, we reconstituted and determined the cryo-EM structure of the hNLR required for cell death 4 (NRC4) resistosome. The auto-active NRC4 formed a previously unanticipated hexameric configuration, triggering immune responses associated with Ca 2+ influx into the cytosol. Furthermore, we uncovered a dodecameric state of NRC4, where the coil-coil (CC) domain is embedded within the complex, suggesting an inactive state, and expanding our understanding of the regulation of plant immune responses. One Sentence Summary The hexameric NRC4 resistosome mediates cell death associated with cytosolic Ca 2+ influx.

Summary The cytokine receptor IL-23R plays a fundamental role in inflammation and autoimmunity. However, several observations have been difficult to reconcile under the assumption that only Th17 cells critically depend on IL-23 to acquire a pathogenic phenotype. Here, we report that Th1 cells differentiated in vitro with IL-12 + IL-21 show similar levels of IL-23R expression as in pathogenic Th17 cells. We demonstrate that IL-23R is required for Th1 cells to acquire a highly colitogenic phenotype. scRNAseq analysis of intestinal T cells enabled us to identify novel regulators induced by IL-23R-signaling in Th1 cells which differed from those expressed in Th17 cells. The perturbation of one of these regulators (CD160) in Th1 cells inhibited induction of colitis. In this process, we were able to uncouple IL-23R as a purely Th17 cell-specific factor and implicate IL-23R signaling as a pathogenic driver of Th1 cell-mediated tissue inflammation and disease.

We report here a central role for polyamines in T cell differentiation and function. Deficiency in ornithine decarboxylase (ODC), a critical enzyme for polyamine synthesis, resulted in a profound failure of CD4+ T cells to adopt correct subset specification, underscored by ectopic expression of multiple cytokines and lineage-defining transcription factors across TH1, TH2, TH17, and Treg polarizing conditions, and enhanced colitogenic potential. T cells deficient in deoxyhypusine synthase (DHPS) or deoxyhypusine hydroxylase (DOHH), which sequentially utilize polyamines to generate hypusine, phenocopied Odc -deficient T cells, and mice in which T cells lacked Dhps or Dohh developed colitis. Polyamine-hypusine pathway enzyme deficiency caused widespread chromatin and transcriptional dysregulation accompanied by alterations in histone methylation, histone acetylation, and TCA cycle metabolites. Epigenetic modulation by 2-hydroxyglutarate, or histone acetyltransferase inhibition, restored CD4+ T cell subset specification. Thus, polyamine synthesis via hypusine is critical for maintaining the epigenome to focus TH cell subset fidelity.