Microglia are brain-resident macrophages that contribute to central nervous system (CNS) development, maturation, and preservation. Here, we examine the consequences of permanent microglial deficiencies on brain aging using the Csf1r

Abstract Human African trypanosomiasis, or sleeping sickness, is caused by the protozoan parasite Trypanosoma brucei and induces profound reactivity of glial cells and neuroinflammation when the parasites colonise the central nervous system. However, the transcriptional and functional responses of the brain to chronic T. brucei infection remain poorly understood. By integrating single cell and spatial transcriptomics of the mouse brain, we identified that glial responses triggered by infection are readily detected in the proximity to the circumventricular organs, including the lateral and 3 rd ventricle. This coincides with the spatial localisation of both slender and stumpy forms of T. brucei . Furthermore, in silico predictions and functional validations led us to identify a previously unknown crosstalk between homeostatic Cx3cr1 + microglia and Cd138 + plasma cells mediated by IL-10 and B cell activating factor (BAFF) signalling. This study provides important insights and resources to improve understanding of the molecular and cellular responses in the brain during infection with African trypanosomes.

Abstract Prion diseases are transmissible, neurodegenerative disorders associated with misfolding of the prion protein. Previous studies show that reduction of microglia accelerates CNS prion disease and increases the accumulation of prions in the brain, suggesting that microglia provide neuroprotection by phagocytosing and destroying prions. In Csf1r ΔFIRE mice, the deletion of an enhancer within Csf1r specifically blocks microglia development, however, their brains develop normally and show none of the deficits reported in other microglia-deficient models. Csf1r ΔFIRE mice were used as a refined model in which to study the impact of microglia-deficiency on CNS prion disease. Although Csf1r ΔFIRE mice succumbed to CNS prion disease much earlier than wild-type mice, the accumulation of prions in their brains was reduced. Instead, astrocytes displayed earlier, non-polarized reactive activation with enhanced synaptic pruning and unfolded protein responses. Our data suggest that rather than simply phagocytosing and destroying prions, the microglia instead provide host-protection during CNS prion disease and restrict the harmful activities of reactive astrocytes. Main points CNS prion disease is accelerated in mice completely lacking microglia. The rate of prion accumulation in the brain was unaltered in absence of microglia. Microglia provide host-protection during CNS prion disease independent of prion clearance.

Abstract Mycobacterium avium subspecies paratuberculosis (MAP) is the etiologic agent of Johne’s Disease, a chronic enteritis of ruminants prevalent across the world. It is estimated that approximately 50% of UK dairy herds are infected with MAP, but this is likely an underestimate of the true prevalence. Infection can result in reduced milk yield, infertility and premature culling of the animal, leading to significant losses to the farming economy and negatively affecting animal welfare. Understanding the initial interaction between MAP and the host is critical to develop improved diagnostic tools and novel vaccines. Here we describe the characterisation of three different multicellular in vitro models derived from bovine intestinal tissue, and their use for the study of cellular interactions with MAP. In addition to the previously described basal-out 3D bovine enteroids, we have established viable 2D monolayers and 3D apical-out organoids. The apical-out enteroids differ from previously described bovine enteroids as the apical surface is exposed on the exterior surface of the 3D structure, enabling study of host-pathogen interactions at the epithelial surface without the need for microinjection. We have characterised the cell types present in each model system using RT-qPCR to detect predicted cell type-specific gene expression and confocal microscopy for cell type-specific protein expression. Each model contained the cells present in the bovine ileum and were therefore representative of the bovine gut. Exposure of the three model systems to the reference strain MAP K10, and a recent Scottish isolate referred to as C49, led to the observation of intracellular bacteria by confocal microscopy. Enumeration of the bacteria by genome copy number quantification, indicated that K10 was less invasive than C49 at early time points in infection in all model systems. This study shows that bovine enteroid-based models are permissive to infection with MAP and that these models may be useful in investigating early stages of MAP pathogenesis in a physiologically relevant in vitro system, whilst reducing the use of animals in scientific research.

Abstract The meningeal space is a critical brain structure providing immunosurveillance for the central nervous system, but the impact of infections on the meningeal immune landscape is far from being fully understood. The extracellular protozoan parasite Trypanosoma brucei , which causes Human African Trypanosomiasis (HAT) or sleeping sickness, accumulates in the meningeal spaces, ultimately inducing severe meningitis and resulting in death if left untreated. Thus, sleeping sickness represents an attractive model to study immunological dynamics in the meninges during infection. Here, by combining single cell transcriptomics and mass cytometry by time of flight (CyTOF) with in vivo interventions, we found that chronic T. brucei infection triggers the development of ectopic lymphoid aggregates (ELAs) in the murine meninges. These infection-induced ELAs were defined by the presence of ER-TR7 + fibroblastic reticular cells, CD21/35 + follicular dendritic cells, CXCR5 + PD1 + T follicular helper-like phenotype, GL7 + CD95 + GC-like B cells, and plasmablasts/plasma cells. Furthermore, the B cells found in the infected meninges produced high-affinity autoantibodies able to recognise mouse brain antigens, in a process dependent on LTβ signalling. A mid-throughput screening identified several host factors recognised by these autoantibodies, including myelin basic protein (MBP), coinciding with cortical demyelination and brain pathology. In humans, we identified the presence of autoreactive IgG antibodies in the cerebrospinal fluid of second stage HAT patients that recognised human brain lysates and MBP, consistent with our findings in experimental infections. Lastly, we found that the pathological B cell responses we observed in the meninges required the presence of T. brucei in the CNS, as suramin treatment before the onset of the CNS stage prevented the accumulation of GL7 + CD95 + GC-like B cells and brain-specific autoantibody deposition. Taken together, our data provide evidence that the meningeal immune response during chronic T. brucei infection results in the acquisition of lymphoid tissue-like properties, broadening our understanding of meningeal immunity in the context of chronic infections. These findings have wider implications for understanding the mechanisms underlying the formation ELAs during chronic inflammation resulting in autoimmunity in mice and humans, as observed in other autoimmune neurodegenerative disorders, including neuropsychiatric lupus and multiple sclerosis.

Abstract Microglia play key roles in brain homeostasis as well as responses to neurodegeneration and neuroinflammatory processes caused by physical disease and psychosocial stress. The pig is a physiologically-relevant model species for studying human neurological disorders, many of which are associated with microglial dysfunction. Furthermore, pigs are an important agricultural species, and there is a need to understand how microglial function affects their welfare. As a basis for improved understanding to enhance biomedical and agricultural research, we sought to characterise pig microglial identity at genome-wide scale and conduct inter-species comparisons. We isolated pig hippocampal tissue and microglia from frontal cortex, hippocampus and cerebellum, as well as alveolar macrophages from the lungs and conducted RNA-sequencing (RNAseq). By comparing the transcriptomic profiles between microglia, macrophages, and hippocampal tissue, we derived a set of 365 highly-enriched genes defining the porcine core microglial signature. We found brain regional heterogeneity based on 215 genes showing significant (adjusted p<0.01) regional variations and that cerebellar microglia were most distinct. We compared normalized gene expression for microglia from human, mice and pigs using microglia signature gene lists derived from each species and demonstrated that a core microglial marker gene signature is conserved across species, but that species-specific expression subsets also exist. Importantly, pig and human microglia shared greater similarity than pig and murine microglia. Our data provide a valuable resource defining the pig microglial transcriptome signature that highlights pigs as a useful large animal species bridging between rodents and humans in which to study the role of microglia during homeostasis and disease. Main Points - Defined a pig microglial transcriptome signature comprising 365 genes. - Demonstrated regional variance in the pig microglial transcriptome across the brain. - Revealed greater similarity between pig and human microglia than mouse.

Abstract Previous studies have shown after the resolution of acute infection and viraemia, foot- and-mouth disease virus (FMDV) capsid proteins and/or genome are localised in the light zone of germinal centres of lymphoid tissue in cattle and African buffalo. The pattern of staining for FMDV proteins was consistent with the virus binding to follicular dendritic cells (FDCs). We have now demonstrated a similar pattern of FMDV protein staining in mouse spleens after acute infection and showed FMDV proteins are colocalised with FDCs. Blocking antigen binding to complement receptor type 2 and 1 (CR2/CR1) prior to infection with FMDV significantly reduced the detection of viral proteins on FDCs and FMDV genomic RNA in spleen samples. Blocking the receptors prior to infection also significantly reduced neutralising antibody titres. Therefore, the binding of FMDV to FDCs and sustained induction of neutralising antibody responses are dependent on FMDV binding to CR2/CR1 in mice. Author Summary Foot and mouth disease virus causes a highly contagious acute vesicular disease, resulting in more than 50% of cattle, regardless of vaccination status, and almost 100% of African buffalo becoming persistently infected for long periods (months) of time. Yet, the mechanisms associated with establishment of persistent infections are still poorly understood. Infected animals are characterised by the presence of long-lived neutralising antibody titres, which contrast with the short-lived response induced by vaccination. We have used a mouse model to understand how foot and mouth disease virus is trapped and retained in the spleen for up to 28 days post infection and how the absence of antigen in the germinal centre prevents a sustainable neutralising antibody response, in the mouse. Our results highlight the importance of targeting antigen to FDCs to stimulate potent neutralising antibody responses after vaccination.

Abstract Mycobacterium avium subspecies paratuberculosis (MAP) is the causative agent of Johne’s Disease, a chronic granulomatous enteritis of ruminants. MAP establishes an infection in the host via the small intestine. This requires the bacteria to adhere to and be internalised by cells of the intestinal tract. The effector molecules expressed by MAP for this remain to be fully identified and understood. The mammalian cell entry (Mce) proteins play an essential role for other Mycobacterial species to facilitate the attachment and invasion of host epithelial cells. Here, we have expressed Mce1A, Mce1D, Mce3C and Mce4A proteins derived from MAP on the surface of a non-invasive E. coli host to characterise their role in the initial interaction between MAP and the host. To this end, mce1A was found to significantly increase the ability of the E. coli to attach and survive intracellularly in THP-1 cells, and mce1D was found to significantly increase attachment and invasion of MDBK cells. Both genes were implicated in the increased ability of E. coli to infect 3D bovine basal-out enteroids. Together, these results have identified two effector molecules used by MAP with a degree of cell-type specificity.

Prion diseases are fatal, infectious, neurodegenerative disorders resulting from accumulation of misfolded cellular prion protein in the brain. Early pathological changes during CNS prion disease also include reactive astrocyte activation with increased CD44 expression, microgliosis, as well as loss of dendritic spines and synapses. CD44 is a multifunctional cell surface adhesion and signalling molecule which is considered to play roles in astrocyte morphology and the maintenance of dendritic spine integrity and synaptic plasticity. However, the role of CD44 in prion disease was unknown. Here we used mice deficient in CD44 to determine the role of CD44 during prion disease. We show that CD44-deficient mice displayed no difference in their response to CNS prion infection when compared to wild type mice. Furthermore, the reactive astrocyte activation and microgliosis that accompanies CNS prion infection was unimpaired in the absence of CD44. Together, our data show that although CD44 expression is upregulated in reactive astrocytes during CNS prion disease, it is dispensable for astrocyte and microglial activation and the development of prion neuropathogenesis.