Significance We have experimentally investigated the immunoregulatory effects of human gut microbiota in multiple sclerosis (MS). We have identified specific bacteria that are associated with MS and demonstrated that these bacteria regulate T lymphocyte-mediated adaptive immune responses and contribute to the proinflammatory environment in vitro and in vivo. Thus, our results expand the knowledge of the microbial regulation of immunity and may provide a basis for the development of microbiome-based therapeutics in autoimmune diseases.

Abstract Multiple sclerosis (MS) is an autoimmune disease of the central nervous system characterized by adaptive and innate immune system dysregulation. Recent work has revealed moderate alteration of gut microbial communities in subjects with MS and in experimental, induced models. However, a mechanistic understanding linking the observed changes in the microbiota and the presence of the disease is still missing. Chloroform-resistant, spore-forming bacteria have been shown to exhibit immunomodulatory properties in vitro and in vivo, but they have not yet been characterized in the context of human disease. This study addresses the community composition and immune function of this bacterial fraction in MS. We identify MS-associated spore-forming taxa and show that their presence correlates with impaired differentiation of IL-10 secreting, regulatory T lymphocytes in-vitro . Colonization of antibiotic-treated mice with spore-forming bacteria allowed us to identify some bacterial taxa favoring IL-10 + lymphocyte differentiation and others inducing differentiation of pro-inflammatory, IFNγ + T lymphocytes. However, when fed into antibiotic-treated mice, both MS and control derived spore-forming bacteria were able to induce immunoregulatory responses. Our analysis also identified Akkermansia muciniphila as a key organism that may interact either directly or indirectly with spore-forming bacteria to exacerbate the inflammatory effects of MS-associated gut microbiota. Thus, changes in the spore-forming fraction may influence T lymphocyte-mediated inflammation in MS. This experimental approach of isolating a subset of microbiota based on its functional characteristics may be useful to investigate other microbial fractions at greater depth. Importance Despite the rapid emergence of microbiome related studies in human diseases, few go beyond a simple description of relative taxa levels in a select group of patients. Our study integrates computational analysis with in vitro and in vivo exploration of inflammatory properties of both complete microbial communities and individual taxa, revealing novel functional associations. We specifically show that while small differences exist between the microbiomes of MS patients and healthy subjects, these differences are exacerbated in the chloroform resistant fraction. We further demonstrate that, when purified from MS patients, this fraction is associated with impaired immunomodulatory responses in vitro.

Multiple sclerosis (MS) is an inflammatory and neurodegenerative disease of the central nervous system (CNS), resulting in neurological disability that worsens over time. While progress has been made in defining the immune system's role in MS pathophysiology, the contribution of intrinsic CNS cell dysfunction remains unclear. Here, we generated a collection of induced pluripotent stem cell (iPSC) lines from people with MS spanning diverse clinical subtypes and differentiated them into glia-enriched cultures. Using single-cell transcriptomic profiling and orthogonal analyses, we observed several distinguishing characteristics of MS cultures pointing to glia-intrinsic disease mechanisms. We found that primary progressive MS-derived cultures contained fewer oligodendrocytes. Moreover, MS-derived oligodendrocyte lineage cells and astrocytes showed increased expression of immune and inflammatory genes, matching those of glia from MS postmortem brains. Thus, iPSC-derived MS models provide a unique platform for dissecting glial contributions to disease phenotypes independent of the peripheral immune system and identify potential glia-specific targets for therapeutic intervention.

Summary Multiple sclerosis (MS) is considered an inflammatory and neurodegenerative disease of the central nervous system, typically resulting in significant neurological disability that worsens over time. While considerable progress has been made in defining the immune system’s role in MS pathophysiology, the contribution of intrinsic CNS-cell dysfunction remains unclear. Here, we generated the largest reported collection of iPSC lines from people with MS spanning diverse clinical subtypes and differentiated them into glia-enriched cultures. Using single-cell transcriptomic profiling, we observed several distinguishing characteristics of MS cultures pointing to glia-intrinsic disease mechanisms. We found that iPSC-derived cultures from people with primary progressive MS contained fewer oligodendrocytes. Moreover, iPSC-oligodendrocyte lineage cells and astrocytes from people with MS showed increased expression of immune and inflammatory genes that match those of glial cells from MS postmortem brains. Thus, iPSC-derived MS models provide a unique platform for dissecting glial contributions to disease phenotypes independent of the peripheral immune system and identify potential glia-specific targets for therapeutic intervention.