There is considerable heterogeneity in immunological parameters between individuals, but its sources are largely unknown. To assess the relative contribution of heritable versus non-heritable factors, we have performed a systems-level analysis of 210 healthy twins between 8 and 82 years of age. We measured 204 different parameters, including cell population frequencies, cytokine responses, and serum proteins, and found that 77% of these are dominated (>50% of variance) and 58% almost completely determined (>80% of variance) by non-heritable influences. In addition, some of these parameters become more variable with age, suggesting the cumulative influence of environmental exposure. Similarly, the serological responses to seasonal influenza vaccination are also determined largely by non-heritable factors, likely due to repeated exposure to different strains. Lastly, in MZ twins discordant for cytomegalovirus infection, more than half of all parameters are affected. These results highlight the largely reactive and adaptive nature of the immune system in healthy individuals.

The transcriptional regulation of commitment to the dendritic cell (DC) lineage and functional specialization of DCs in vivo is poorly understood. In this Resource, Merad and colleagues identify the lineage relationships among various tissue DC subsets. Although much progress has been made in the understanding of the ontogeny and function of dendritic cells (DCs), the transcriptional regulation of the lineage commitment and functional specialization of DCs in vivo remains poorly understood. We made a comprehensive comparative analysis of CD8+, CD103+, CD11b+ and plasmacytoid DC subsets, as well as macrophage DC precursors and common DC precursors, across the entire immune system. Here we characterized candidate transcriptional activators involved in the commitment of myeloid progenitor cells to the DC lineage and predicted regulators of DC functional diversity in tissues. We identified a molecular signature that distinguished tissue DCs from macrophages. We also identified a transcriptional program expressed specifically during the steady-state migration of tissue DCs to the draining lymph nodes that may control tolerance to self tissue antigens.

Significance There are marked differences between the sexes in their immune response to infections and vaccination, with females often having significantly higher responses. However, the mechanisms underlying these differences are largely not understood. Using a systems immunology approach, we have identified a cluster of genes involved in lipid metabolism and likely modulated by testosterone that correlates with the higher antibody-neutralizing response to influenza vaccination observed in females. Moreover, males with the highest testosterone levels and expression of related gene signatures exhibited the lowest antibody responses to influenza vaccination. This study generates a number of hypotheses on the sex differences observed in the human immune system and their relationship to mechanisms involved in the antibody response to vaccination.

Differential expression of inflammasome gene modules and inflammasome-activating metabolites correlates with interleukin-1β expression, hypertension, arterial stiffness and longevity in older individuals. Low-grade, chronic inflammation has been associated with many diseases of aging, but the mechanisms responsible for producing this inflammation remain unclear. Inflammasomes can drive chronic inflammation in the context of an infectious disease or cellular stress, and they trigger the maturation of interleukin-1β (IL-1β). Here we find that the expression of specific inflammasome gene modules stratifies older individuals into two extremes: those with constitutive expression of IL-1β, nucleotide metabolism dysfunction, elevated oxidative stress, high rates of hypertension and arterial stiffness; and those without constitutive expression of IL-1β, who lack these characteristics. Adenine and N4-acetylcytidine, nucleotide-derived metabolites that are detectable in the blood of the former group, prime and activate the NLRC4 inflammasome, induce the production of IL-1β, activate platelets and neutrophils and elevate blood pressure in mice. In individuals over 85 years of age, the elevated expression of inflammasome gene modules was associated with all-cause mortality. Thus, targeting inflammasome components may ameliorate chronic inflammation and various other age-associated conditions.

Much of the knowledge about cell differentiation and function in the immune system has come from studies in mice, but the relevance to human immunology, diseases, and therapy has been challenged, perhaps more from anecdotal than comprehensive evidence. To this end, we compare two large compendia of transcriptional profiles of human and mouse immune cell types. Global transcription profiles are conserved between corresponding cell lineages. The expression patterns of most orthologous genes are conserved, particularly for lineage-specific genes. However, several hundred genes show clearly divergent expression across the examined cell lineages, and among them, 169 genes did so even with highly stringent criteria. Finally, regulatory mechanisms—reflected by regulators’ differential expression or enriched cis -elements—are conserved between the species but to a lower degree, suggesting that distinct regulation may underlie some of the conserved transcriptional responses.

While many diseases of aging have been linked to the immunological system, immune metrics capable of identifying the most at-risk individuals are lacking. From the blood immunome of 1,001 individuals aged 8–96 years, we developed a deep-learning method based on patterns of systemic age-related inflammation. The resulting inflammatory clock of aging (iAge) tracked with multimorbidity, immunosenescence, frailty and cardiovascular aging, and is also associated with exceptional longevity in centenarians. The strongest contributor to iAge was the chemokine CXCL9, which was involved in cardiac aging, adverse cardiac remodeling and poor vascular function. Furthermore, aging endothelial cells in human and mice show loss of function, cellular senescence and hallmark phenotypes of arterial stiffness, all of which are reversed by silencing CXCL9. In conclusion, we identify a key role of CXCL9 in age-related chronic inflammation and derive a metric for multimorbidity that can be utilized for the early detection of age-related clinical phenotypes. From the blood immunome of 1,001 individuals aged 8–96 years, the authors used deep learning to develop an inflammatory clock of aging (iAge) that tracks with multimorbidity, immunosenescence, frailty and cardiovascular aging, and is also associated with exceptional longevity in centenarians. The main contributor to iAge is the chemokine CXCL9, which is shown to control endothelial cell senescence and function.

Cytomegalovirus infection of young adult humans and mice enhances immune responses to influenza.

Abstract Tuberculosis (TB) is an infectious disease caused by Mycobacterium tuberculosis that is distinctly characterized by granuloma formation within infected tissues. Granulomas are dynamic and organized immune cell aggregates that limit dissemination, but can also hinder bacterial clearance. Consequently, outcome in TB is influenced by how granuloma structure and composition shift the balance between these two functions. To date, our understanding of what factors drive granuloma function in humans is limited. With this in mind, we used Multiplexed Ion Beam Imaging by Time-of-Flight (MIBI-TOF) to profile 37 proteins in tissues from thirteen patients with active TB disease from the U.S. and South Africa. With this dataset, we constructed a comprehensive tissue atlas where the lineage, functional state, and spatial distribution of 19 unique cell subsets were mapped onto eight phenotypically-distinct granuloma microenvironments. This work revealed an immunosuppressed microenvironment specific to TB granulomas with spatially coordinated co-expression of IDO1 and PD-L1 by myeloid cells and proliferating regulatory T cells. Interestingly, this microenvironment lacked markers consistent with T-cell activation, supporting a myeloid-mediated mechanism of immune suppression. We observed similar trends in gene expression of immunoregulatory proteins in a confirmatory transcriptomic analysis of peripheral blood collected from over 1500 individuals with latent or active TB infection and healthy controls across 29 cohorts spanning 14 countries. Notably, PD-L1 gene expression was found to correlate with TB progression and treatment response, supporting its potential use as a blood-based biomarker. Taken together, this study serves as a framework for leveraging independent cohorts and complementary methodologies to understand how local and systemic immune responses are linked in human health and disease.

Behavior and physiology are essential readouts in many studies but have not benefited from the high-dimensional data revolution that has transformed molecular and cellular phenotyping. To address this, we developed an approach that combines commercially available automated phenotyping hardware with a systems biology analysis pipeline to generate a high-dimensional readout of mouse behavior/physiology, as well as intuitive and health-relevant summary statistics (resilience and biological age). We used this platform to longitudinally evaluate aging in hundreds of outbred mice across an age range from 3 months to 3.4 years. In contrast to the assumption that aging can only be measured at the limits of animal ability via challenge-based tasks, we observed widespread physiological and behavioral aging starting in early life. Using network connectivity analysis, we found that organism-level resilience exhibited an accelerating decline with age that was distinct from the trajectory of individual phenotypes. We developed a method, Combined Aging and Survival Prediction of Aging Rate (CASPAR), for jointly predicting chronological age and survival time and showed that the resulting model is able to predict both variables simultaneously, a behavior that is not captured by separate age and mortality prediction models. This study provides a uniquely high-resolution view of physiological aging in mice and demonstrates that systems-level analysis of physiology provides insights not captured by individual phenotypes. The approach described here allows aging, and other processes that affect behavior and physiology, to be studied with improved throughput, resolution, and phenotypic scope.

Abstract Isotopic labeling with deuterium oxide (D 2 O) is a common technique for estimating in vivo protein turnover, but its use has been limited by two long-standing problems: (1) identifying non-monoisotopic peptides; and (2) estimating protein turnover rates in the presence of dynamic amino acid enrichment. In this paper, we present a novel experimental and analytical framework for solving these two problems. Peptides with high probabilities of labeling in many amino acids present fragmentation spectra that frequently do not match the theoretical spectra used in standard identification algorithms. We resolve this difficulty using a modified search algorithm we call Conditional Ion Distribution Search (CIDS). Increased identifications from CIDS along with direct measurement of amino acid enrichment and statistical modeling that accounts for heterogeneous information across peptides, dramatically improves the accuracy and precision of half-life estimates. We benchmark the approach in cells, where near-complete labeling is possible, and conduct an in vivo experiment revealing, for the first time, differences in protein turnover between mice and naked mole-rats commensurate with their disparate longevity.