Proper management of COVID-19 mandates better understanding of disease pathogenesis. The sudden clinical deterioration 7–8 days after initial symptom onset suggests that severe respiratory failure (SRF) in COVID-19 is driven by a unique pattern of immune dysfunction. We studied immune responses of 54 COVID-19 patients, 28 of whom had SRF. All patients with SRF displayed either macrophage activation syndrome (MAS) or very low human leukocyte antigen D related (HLA-DR) expression accompanied by profound depletion of CD4 lymphocytes, CD19 lymphocytes, and natural killer (NK) cells. Tumor necrosis factor-α (TNF-α) and interleukin-6 (IL-6) production by circulating monocytes was sustained, a pattern distinct from bacterial sepsis or influenza. SARS-CoV-2 patient plasma inhibited HLA-DR expression, and this was partially restored by the IL-6 blocker Tocilizumab; off-label Tocilizumab treatment of patients was accompanied by increase in circulating lymphocytes. Thus, the unique pattern of immune dysregulation in severe COVID-19 is characterized by IL-6-mediated low HLA-DR expression and lymphopenia, associated with sustained cytokine production and hyper-inflammation.

A BLUEPRINT of immune cell development To determine the epigenetic mechanisms that direct blood cells to develop into the many components of our immune system, the BLUEPRINT consortium examined the regulation of DNA and RNA transcription to dissect the molecular traits that govern blood cell differentiation. By inducing immune responses, Saeed et al. document the epigenetic changes in the genome that underlie immune cell differentiation. Cheng et al. demonstrate that trained monocytes are highly dependent on the breakdown of sugars in the presence of oxygen, which allows cells to produce the energy needed to mount an immune response. Chen et al. examine RNA transcripts and find that specific cell lineages use RNA transcripts of different length and composition (isoforms) to form proteins. Together, the studies reveal how epigenetic effects can drive the development of blood cells involved in the immune system. Science , this issue 10.1126/science.1251086 , 10.1126/science.1250684 , 10.1126/science.1251033

“Normal” for the gut microbiota For the benefit of future clinical studies, it is critical to establish what constitutes a “normal” gut microbiome, if it exists at all. Through fecal samples and questionnaires, Falony et al. and Zhernakova et al. targeted general populations in Belgium and the Netherlands, respectively. Gut microbiota composition correlated with a range of factors including diet, use of medication, red blood cell counts, fecal chromogranin A, and stool consistency. The data give some hints for possible biomarkers of normal gut communities. Science , this issue pp. 560 and 565

Adaptive features of innate immunity, recently described as "trained immunity," have been documented in plants, invertebrate animals, and mice, but not yet in humans. Here we show that bacille Calmette-Guérin (BCG) vaccination in healthy volunteers led not only to a four- to sevenfold increase in the production of IFN-γ, but also to a twofold enhanced release of monocyte-derived cytokines, such as TNF and IL-1β, in response to unrelated bacterial and fungal pathogens. The enhanced function of circulating monocytes persisted for at least 3 mo after vaccination and was accompanied by increased expression of activation markers such as CD11b and Toll-like receptor 4. These training effects were induced through the NOD2 receptor and mediated by increased histone 3 lysine 4 trimethylation. In experimental studies, BCG vaccination induced T- and B-lymphocyte-independent protection of severe combined immunodeficiency SCID mice from disseminated candidiasis (100% survival in BCG-vaccinated mice vs. 30% in control mice). In conclusion, BCG induces trained immunity and nonspecific protection from infections through epigenetic reprogramming of innate immune cells.

A BLUEPRINT of immune cell development To determine the epigenetic mechanisms that direct blood cells to develop into the many components of our immune system, the BLUEPRINT consortium examined the regulation of DNA and RNA transcription to dissect the molecular traits that govern blood cell differentiation. By inducing immune responses, Saeed et al. document the epigenetic changes in the genome that underlie immune cell differentiation. Cheng et al. demonstrate that trained monocytes are highly dependent on the breakdown of sugars in the presence of oxygen, which allows cells to produce the energy needed to mount an immune response. Chen et al. examine RNA transcripts and find that specific cell lineages use RNA transcripts of different length and composition (isoforms) to form proteins. Together, the studies reveal how epigenetic effects can drive the development of blood cells involved in the immune system. Science , this issue 10.1126/science.1251086 , 10.1126/science.1250684 , 10.1126/science.1251033

The recent advent of methods for high-throughput single-cell molecular profiling has catalyzed a growing sense in the scientific community that the time is ripe to complete the 150-year-old effort to identify all cell types in the human body. The Human Cell Atlas Project is an international collaborative effort that aims to define all human cell types in terms of distinctive molecular profiles (such as gene expression profiles) and to connect this information with classical cellular descriptions (such as location and morphology). An open comprehensive reference map of the molecular state of cells in healthy human tissues would propel the systematic study of physiological states, developmental trajectories, regulatory circuitry and interactions of cells, and also provide a framework for understanding cellular dysregulation in human disease. Here we describe the idea, its potential utility, early proofs-of-concept, and some design considerations for the Human Cell Atlas, including a commitment to open data, code, and community.

Microbiome-wide association studies on large population cohorts have highlighted associations between the gut microbiome and complex traits, including type 2 diabetes (T2D) and obesity1. However, the causal relationships remain largely unresolved. We leveraged information from 952 normoglycemic individuals for whom genome-wide genotyping, gut metagenomic sequence and fecal short-chain fatty acid (SCFA) levels were available2, then combined this information with genome-wide-association summary statistics for 17 metabolic and anthropometric traits. Using bidirectional Mendelian randomization (MR) analyses to assess causality3, we found that the host-genetic-driven increase in gut production of the SCFA butyrate was associated with improved insulin response after an oral glucose-tolerance test (P = 9.8 × 10−5), whereas abnormalities in the production or absorption of another SCFA, propionate, were causally related to an increased risk of T2D (P = 0.004). These data provide evidence of a causal effect of the gut microbiome on metabolic traits and support the use of MR as a means to elucidate causal relationships from microbiome-wide association findings. Mendelian randomization analyses using genotyping data, gut metagenomic sequence and fecal short-chain-fatty-acid levels from 952 individuals combined with GWAS data show evidence of a causal effect of the gut microbiome on metabolic traits.

Immunological memory in vertebrates is often exclusively attributed to T and B cell function. Recently it was proposed that the enhanced and sustained innate immune responses following initial infectious exposure may also afford protection against reinfection. Testing this concept of “trained immunity,” we show that mice lacking functional T and B lymphocytes are protected against reinfection with Candida albicans in a monocyte-dependent manner. C. albicans and fungal cell wall β-glucans induced functional reprogramming of monocytes, leading to enhanced cytokine production in vivo and in vitro. The training required the β-glucan receptor dectin-1 and the noncanonical Raf-1 pathway. Monocyte training by β-glucans was associated with stable changes in histone trimethylation at H3K4, which suggests the involvement of epigenetic mechanisms in this phenomenon. The functional reprogramming of monocytes, reminiscent of similar NK cell properties, supports the concept of “trained immunity” and may be employed for the design of improved vaccination strategies.

The tuberculosis vaccine bacillus Calmette-Guérin (BCG) has heterologous beneficial effects against non-related infections. The basis of these effects has been poorly explored in humans. In a randomized placebo-controlled human challenge study, we found that BCG vaccination induced genome-wide epigenetic reprograming of monocytes and protected against experimental infection with an attenuated yellow fever virus vaccine strain. Epigenetic reprogramming was accompanied by functional changes indicative of trained immunity. Reduction of viremia was highly correlated with the upregulation of IL-1β, a heterologous cytokine associated with the induction of trained immunity, but not with the specific IFNγ response. The importance of IL-1β for the induction of trained immunity was validated through genetic, epigenetic, and immunological studies. In conclusion, BCG induces epigenetic reprogramming in human monocytes in vivo, followed by functional reprogramming and protection against non-related viral infections, with a key role for IL-1β as a mediator of trained immunity responses.

Summary

 Gut microbial dysbioses are linked to aberrant immune responses, which are often accompanied by abnormal production of inflammatory cytokines. As part of the Human Functional Genomics Project (HFGP), we investigate how differences in composition and function of gut microbial communities may contribute to inter-individual variation in cytokine responses to microbial stimulations in healthy humans. We observe microbiome-cytokine interaction patterns that are stimulus specific, cytokine specific, and cytokine and stimulus specific. Validation of two predicted host-microbial interactions reveal that TNFα and IFNγ production are associated with specific microbial metabolic pathways: palmitoleic acid metabolism and tryptophan degradation to tryptophol. Besides providing a resource of predicted microbially derived mediators that influence immune phenotypes in response to common microorganisms, these data can help to define principles for understanding disease susceptibility. The three HFGP studies presented in this issue lay the groundwork for further studies aimed at understanding the interplay between microbial, genetic, and environmental factors in the regulation of the immune response in humans. 

PaperClip