Abstract Cancer therapy has traditionally focused on eliminating fast-growing populations of cells. Yet, an increasing body of evidence suggests that small subpopulations of cancer cells can evade strong selective drug pressure by entering a ‘persister’ state of negligible growth. This drug-tolerant state has been hypothesized to be part of an initial strategy towards eventual acquisition of bona fide drug-resistance mechanisms. However, the diversity of drug-resistance mechanisms that can expand from a persister bottleneck is unknown. Here we compare persister-derived, erlotinib-resistant colonies that arose from a single, EGFR-addicted lung cancer cell. We find, using a combination of large-scale drug screening and whole-exome sequencing, that our erlotinib-resistant colonies acquired diverse resistance mechanisms, including the most commonly observed clinical resistance mechanisms. Thus, the drug-tolerant persister state does not limit—and may even provide a latent reservoir of cells for—the emergence of heterogeneous drug-resistance mechanisms.

Cytokines are pleiotropic and readily diffusible messenger molecules, raising the question of how their action can be confined to specific target cells. The T cell cytokine interleukin-2 (IL-2) is essential for the homeostasis of regulatory T (Treg) cells that suppress (auto)immunity and stimulates immune responses mediated by conventional T cells. We combined mathematical modeling and experiments to dissect the dynamics of the IL-2 signaling network that links the prototypical IL-2 producers, conventional T helper (Th) cells, and Treg cells. We show how the IL-2-induced upregulation of high-affinity IL-2 receptors (IL-2R) establishes a positive feedback loop of IL-2 signaling. This feedback mediates a digital switch for the proliferation of Th cells and functions as an analog amplifier for the IL-2 uptake capacity of Treg cells. Unlike other positive feedbacks in cell signaling that augment signal propagation, the IL-2/IL-2R loop enhances the capture of the signal molecule and its degradation. Thus Treg and Th cells can compete for IL-2 and restrict its range of action through efficient cellular uptake. Depending on activation status and spatial localization of the cells, IL-2 may be consumed exclusively by Treg or Th cells, or be shared between them. In particular, a Treg cell can deprive a stimulated Th cell of its IL-2, but only when the cells are located in close proximity, within a few tens of micrometers. The present findings explain how IL-2 can play two disctinct roles in immune regulation and point to a hitherto largely unexplored spatiotemporal complexity of cytokine signaling.

Abstract The long-term survival of memory plasma cells is conditional on the signals provided by dedicated survival niches in the bone marrow organized by mesenchymal stromal cells. Recently, we could show that plasma cell survival requires secreted factors such as APRIL and direct contact to stromal cells, which act in concert to activate NF-kB- and PI3K-dependent signaling pathways to prevent cell death. However, the precise dynamics of the underlying regulatory network are confounded by the complexity of potential interaction and cross-regulation pathways. Here, based on flow-cytometric quantification of key signaling proteins in the presence or absence of the required survival signals, we generated a quantitative model of plasma cell survival. Our model emphasizes the non-redundant and essential nature of the two plasma cell survival signals APRIL and stromal cell contact, providing resilience to endoplasmic reticulum stress and mitochondrial stress, respectively. Importantly, the modeling approach allowed us to unify distinct data sets and derive a consistent picture of the intertwined signaling and apoptosis pathways regulating plasma cell survival.

Cell-to-cell communication networks have critical roles in diverse organismal processes, such as coordinating tissue development or immune cell response. However, compared to intracellular signal transduction networks, the function and engineering principles of cell-to-cell communication networks are far less understood. Here, we study cell-to-cell communication networks using a framework that models the input-to-output relationship of intracellular signal transduction networks with a single function, the response-time distribution. We identify a prototypic response-time distribution, the gamma distribution, arising in both experimental data sets and mathematical models of signal-transduction pathways. We find that simple cell-to-cell communication circuits can generate bimodal response-time distributions, and can control synchronization and delay of cell-population responses independently. We apply our modeling approach to explain otherwise puzzling data on cytokine secretion onset times in T cells. Our approach can be used to predict communication network structure using experimentally accessible input-to-output measurements and without detailed knowledge of intermediate steps.

While it is generally accepted that tissue-resident memory T lymphocytes protect host tissues from secondary immune challenges, it is unclear whether, and if so, how they contribute to systemic secondary immune responses. Here we show that in human individuals with an established immune memory to measles, mumps and rubella viruses, when challenged with the measles-mumps-rubella (MMR) vaccine again, tissue-resident memory CD4+ T cells are mobilized into the blood within 16 to 48 hours after vaccination. These cells then leave the blood again, and apparently contribute to the systemic secondary immune reaction, as is evident from the representation of mobilized T cell receptor Vβ clonotypes among newly generated circulating memory T lymphocytes, from day 7 onwards. Mobilization of the tissue-resident memory T cells is cognate, in that memory T lymphocytes recognizing other antigens, e.g. tetanus toxin, are not mobilized, unless they cross-react with the vaccine. These data originally demonstrate the essential contribution of tissue-resident memory T cells to secondary systemic immune responses, confirming that immunological memories to systemic pathogens are maintained (also) by tissue-resident memory T cells. In practical terms, the present work defines day 1 to 2 after antigenic challenge as a time window to assess the entire immunological T cell memory for a certain pathogen, including mobilized tissue-resident memory T cells, and its correlates of effectivity.

The primary cilium has emerged as critical in regulating whole-body energy metabolism, as reflected in the Bardet-Biedl syndrome (BBS) where primary cilia dysfunction leads to obesity due to hyperphagia and white adipose tissue (WAT) remodeling. The regulation of cell fate and differentiation of adipocyte precursor cells (APCs) is key to maintaining WAT homeostasis during obesity. Using mice that recapitulated the BBS patient phenotype (Bbs8-/-), we demonstrate that primary cilia dysfunction reduces the stem-cell-like P1 APC subpopulation by inducing a phenotypic switch into a fibrogenic progenitor state, characterized by extracellular matrix (ECM) remodeling and upregulation of CD9. Single-cell RNA sequencing revealed a direct transition of stem-cell-like P1 cells into fibrogenic progenitors, bypassing the committed P2 cells. Ectopic ciliary Hedgehog signaling upon loss of BBS8 emerged as a central driver of the molecular changes in Bbs8-/- APCs, altering differentiation into adipocytes and lipid uptake. These findings unravel a novel role for primary cilia in governing APC fate, determining the delicate balance between adipogenesis and fibrogenesis. The identified molecular mechanisms provide insights into potential therapeutic targets for obesity.

Abstract Cytokines are diffusible mediators of cell-cell communication among immune cells with critical regulatory functions for cell differentiation and proliferation. Previous studies have revealed considerable spatial inhomogeneities in the distribution of cytokine molecules in tissues, potentially shaping the efficacy and range of paracrine cytokine signals. How such cytokine gradients emerge and are controlled within cell populations is incompletely understood. In this work, we employed a spatial reaction-diffusion model to systematically investigate the formation and influence of spatial cytokine gradients. We found the fraction of cytokine secreting cells to be the main source of spatial inhomogeneity and subsequent activation. Positive feedback from local cytokine levels upon cytokine receptor expression leads to further increased spatial cytokine inhomogeneities. By exploring the effect of co-clustering cytokine secreting cells and cells with large amounts of receptor expression, as in the presence of regulatory T cells in the vicinity of antigen-presenting cells, we found that such constrained tissue architecture can have profound effects on the range of paracrine cytokine signals.

Abstract Selective differentiation of CD4+ T helper (Th) cells into specialized subsets such as Th1 and Th2 cells is a key element of the adaptive immune system driving appropriate immune responses. Besides those canonical Th cell lineages, hybrid phenotypes such as Th1/2 cells arise in vivo, and their generation could be reproduced in vitro. While master-regulator transcription factors like T-bet for Th1 and GATA-3 for Th2 cells drive and maintain differentiation into the canonical lineages, the transcriptional architecture of hybrid phenotypes is less well understood. In particular, it has remained unclear whether a hybrid phenotype implies a mixture of the effects of several canonical lineages for each gene, or rather a bimodal behavior across genes. Th cell differentiation is a dynamic process in which the regulatory factors are modulated over time, but longitudinal studies of Th cell differentiation are sparse. Here, we present a dynamic transcriptome analysis following Th cell differentiation into Th1, Th2 and Th1/2 hybrid cells. We identified an early bifurcation point in gene expression programs, and we found that only a minority of ∼20% of Th cell-specific genes showed mixed effects from both Th1 and Th2 cells on Th1/2 hybrid cells. While most genes followed either Th1 or Th2 cell gene expression, another fraction of ∼20% of genes followed a Th1 and Th2 cell-independent transcriptional program under control of the transcription factors STAT1 and STAT4. Overall, our results emphasize the key role of high-resolution longitudinal data for the characterization of cellular phenotypes.

Abstract Effective immune-cell responses depend on collective decision-making mediated by diffusible intercellular signaling proteins called cytokines. Here, we designed a spatio-temporal modeling framework and a precise finite-element simulation setup, to systematically investigate the origin and consequences of spatially inhomogeneous cytokine distributions in lymphoid tissues. We found that such inhomogeneities are critical for effective paracrine signaling, and they do not arise by diffusion and uptake alone, but rather depend on properties of the cell population such as an all-or-none behavior of cytokine secreting cells. Furthermore, we assessed the regulatory properties of negative and positive feedback in combination with diffusion-limited signaling dynamics, and we derived statistical quantities to characterize the spatio-temporal signaling landscape in the context of specific tissue architectures. Overall, our simulations highlight the complex spatiotemporal dynamics imposed by cell-cell signaling with diffusible ligands, which entails a large potential for fine-tuned biological control especially if combined with feedback mechanisms.