Rationale: Atherosclerosis is a chronic inflammatory disease that is driven by the interplay of pro- and anti-inflammatory leukocytes in the aorta. Yet, the phenotypic and transcriptional diversity of aortic leukocytes is poorly understood. Objective: We characterized leukocytes from healthy and atherosclerotic mouse aortas in-depth by single-cell RNA-sequencing and mass cytometry (cytometry by time of flight) to define an atlas of the immune cell landscape in atherosclerosis. Methods and Results: Using single-cell RNA-sequencing of aortic leukocytes from chow diet– and Western diet–fed Apoe −/− and Ldlr −/− mice, we detected 11 principal leukocyte clusters with distinct phenotypic and spatial characteristics while the cellular repertoire in healthy aortas was less diverse. Gene set enrichment analysis on the single-cell level established that multiple pathways, such as for lipid metabolism, proliferation, and cytokine secretion, were confined to particular leukocyte clusters. Leukocyte populations were differentially regulated in atherosclerotic Apoe −/− and Ldlr −/− mice. We confirmed the phenotypic diversity of these clusters with a novel mass cytometry 35-marker panel with metal-labeled antibodies and conventional flow cytometry. Cell populations retrieved by these protein-based approaches were highly correlated to transcriptionally defined clusters. In an integrated screening strategy of single-cell RNA-sequencing, mass cytometry, and fluorescence-activated cell sorting, we detected 3 principal B-cell subsets with alterations in surface markers, functional pathways, and in vitro cytokine secretion. Leukocyte cluster gene signatures revealed leukocyte frequencies in 126 human plaques by a genetic deconvolution strategy. This approach revealed that human carotid plaques and microdissected mouse plaques were mostly populated by macrophages, T-cells, and monocytes. In addition, the frequency of genetically defined leukocyte populations in carotid plaques predicted cardiovascular events in patients. Conclusions: The definition of leukocyte diversity by high-dimensional analyses enables a fine-grained analysis of aortic leukocyte subsets, reveals new immunologic mechanisms and cell-type–specific pathways, and establishes a functional relevance for lesional leukocytes in human atherosclerosis.

Cas12a is the immune effector of type V-A CRISPR-Cas systems and has been co-opted for genome editing and other biotechnology tools. The specificity of Cas12a has been the subject of extensive investigation both in vitro and in genome editing experiments. However, in vitro studies have often been performed at high magnesium ion concentrations that are inconsistent with the free Mg2+ concentrations that would be present in cells. By profiling the specificity of Cas12a orthologs at a range of Mg2+ concentrations, we find that Cas12a switches its specificity depending on metal ion concentration. Lowering Mg2+ concentration decreases cleavage defects caused by seed mismatches, while increasing the defects caused by PAM-distal mismatches. We show that Cas12a can bind seed mutant targets more rapidly at low Mg2+ concentrations, resulting in faster cleavage. In contrast, PAM-distal mismatches cause substantial defects in cleavage following formation of the Cas12a-target complex at low Mg2+ concentrations. We observe differences in Cas12a specificity switching between three orthologs that results in variations in the routes of phage escape from Cas12a-mediated immunity. Overall, our results reveal the importance of physiological metal ion conditions on the specificity of Cas effectors that are used in different cellular environments.

Cas12a is the immune effector of type V-A CRISPR-Cas systems and has been co-opted for genome editing and other biotechnology tools. The specificity of Cas12a has been the subject of extensive investigation both in vitro and in genome editing experiments. However, in vitro studies have often been performed at high magnesium ion concentrations that are inconsistent with the free Mg2+ concentrations that would be present in cells. By profiling the specificity of Cas12a orthologs at a range of Mg2+ concentrations, we find that Cas12a switches its specificity depending on metal ion concentration. Lowering Mg2+ concentration decreases cleavage defects caused by seed mismatches, while increasing the defects caused by PAM-distal mismatches. We show that Cas12a can unwind and bind seed mutant targets more rapidly at low Mg2+ concentrations, resulting in faster cleavage. In contrast, PAM-distal mismatches cause substantial defects in cleavage following formation of the Cas12a-target complex at low Mg2+ concentrations. We observe differences in Cas12a specificity switching between three orthologs that results in variations in the routes of phage escape from Cas12a-mediated immunity. Overall, our results reveal the importance of physiological metal ion conditions on the specificity of Cas effectors that are used in different cellular environments.

Background: Cohesive visualization and interpretation of hyperdimensional, large-scale -omics data is an ongoing challenge, particularly for biologists and clinicians involved in current highly complex sequencing studies. Multivariate studies are often better suited towards non-linear network analysis than differential expression testing. Here, we present PRESTO, a 'PREdictive Stochastic neighbor embedding Tool for Omics', which allows unsupervised dimensionality reduction of multivariate data matrices with thousands of subjects or conditions. PRESTO is intuitively integrated into an interactive user interface that helps to visualize the multi-dimensional patterns in genome-wide transcriptomic data from basic science and clinical studies. Results: PRESTO was tested with multiple input omics' platforms, including microarray and proteomics from both mouse and human clinical datasets. PRESTO can analyze up to tens of thousands of genes and shows no increase in processing time with a large number of samples or patients. In complex datasets, such as those with multiple time points, several patient groups, or diverse mouse strains, PRESTO outperformed conventional methods. Core co-expressed gene networks were intuitively grouped in clusters, or gates, after dimensionality reduction and remained consistent across users. Networks were identified and assigned to physiological and pathological functions that cannot be gleaned from conventional bioinformatics analyses. PRESTO detected gene networks from the natural variations among mouse macrophages and human blood leukocytes. We applied PRESTO to clinical transcriptomic and proteomic data from large patient cohorts and detected disease-defining signatures in antibody-mediated kidney transplant rejection, renal cell carcinoma, and relapsing acute myeloid leukemia (AML). In AML, PRESTO confirmed a previously described gene signature and found a new signature of 10 genes that is highly predictive of patient outcome. Conclusions: PRESTO offers an important integration of powerful bioinformatics tools with an interactive user interface that increases data analysis accessibility beyond bioinformaticians and 'coders'. Here, we show that PRESTO out performs conventional methods, such as DE analysis, in multi-dimensional datasets and can identify biologically relevant co-expression gene networks. In paired samples or time points, co-expression networks could be compared for insight into longitudinal regulatory mechanisms. Additionally, PRESTO identified disease-specific signatures in clinical datasets with highly significant diagnostic and prognostic potential.

Abstract Blood tests are a common method for diagnosing and monitoring various health conditions. Nevertheless, the extent to which phlebotomy can offer insights into immune and organ dysfunction remains uncertain. Here, we conducted a comprehensive analysis of blood-borne leukocytes in the microvasculature of different mouse organs and compared it to peripheral blood and parenchymal samples. We observed that microvascular immune cells outnumber tissue-resident counterparts in the kidney, liver and lung. Classical monocytes and lymphocytes are diminished while nonclassical and SSC-high monocytes are enriched compared to blood. Utilizing single-cell sequencing, we identified specific cell populations up to 100-fold expanded in the kidney vasculature including macrophages, plasmacytoid dendritic cells, B cells, and innate lymphoid cells type 2. Microvascular enrichment could trigger a local phenotype switch as shown in glomerulus-restricted B cells. Peritonitis and acute kidney injury (AKI) elicited a multifaceted and systemic response of microvascular leukocytes. It involved remote organ effects, such as a 16-fold increase of leukocytes in the splenic circulation or 64-fold increase of SSC-high monocytes in the liver circulation that was not detectable in the peripheral blood or the tissue. Following full recovery from AKI, persistent and complex changes were observed predominantly in the renal vasculature, while most leukocytes in the peripheral blood had already returned to baseline levels. Collectively, our findings suggest a paradigm of organ- and disease-specific microvascular immunity that largely eludes conventional blood and tissue analysis.