SUMMARY Cancers display significant heterogeneity with respect to tissue of origin, driver mutations and other features of the surrounding tissue. It is likely that persistent tumors differentially engage inherent patterns–here ‘Archetypes’–of the immune system, to both benefit from a tumor immune microenvironment (TIME) and to disengage tumor-targeting. To discover dominant immune system archetypes, the Immunoprofiler Initiative (IPI) processed 364 individual tumors across 12 cancer types using standardized protocols. Computational clustering of flow cytometry and transcriptomic data obtained from cell sub compartments uncovered archetypes that exist across indications. These Immune composition-based archetypes differentiate tumors based upon unique immune and tumor gene-expression patterns. Archetypes discovered this way also tie closely to well-established classifications of tumor biology. The IPI resource provides a template for understanding cancer immunity as a collection of dominant patterns of immune infiltration and provides a rational path forward to learn how to modulate these patterns to improve therapy.

While SARS-CoV-2 infection has pleiotropic and systemic effects in some patients, many others experience milder symptoms. We sought a holistic understanding of the severe/mild distinction in COVID-19 pathology, and its origins. We performed a whole-blood preserving single-cell analysis protocol to integrate contributions from all major cell types including neutrophils, monocytes, platelets, lymphocytes and the contents of serum. Patients with mild COVID-19 disease display a coordinated pattern of interferon-stimulated gene (ISG) expression across every cell population and these cells are systemically absent in patients with severe disease. Severe COVID-19 patients also paradoxically produce very high anti-SARS-CoV-2 antibody titers and have lower viral load as compared to mild disease. Examination of the serum from severe patients demonstrates that they uniquely produce antibodies with multiple patterns of specificity against interferon-stimulated cells and that those antibodies functionally block the production of the mild disease-associated ISG-expressing cells. Overzealous and auto-directed antibody responses pit the immune system against itself in many COVID-19 patients and this defines targets for immunotherapies to allow immune systems to provide viral defense.In severe COVID-19 patients, the immune system fails to generate cells that define mild disease; antibodies in their serum actively prevents the successful production of those cells.

Abstract Intratumoral T cells that might otherwise control tumors are often identified in an ‘exhausted’ state, defined by specific epigenetic modifications as well as upregulation of genes such as CD38, CTLA-4 and PD-1. While the term might imply inactivity, there has been little study of this state at the phenotypic level in tumors to understand the extent of their incapacitation. Starting with the observation that T cells move more quickly through mouse tumors as residence time increases and they progress towards exhaustion, we elaborated a non-stimulatory live-biopsy method for real-time study of T cell behaviors within individual patient tumors. Using two-photon microscopy, we studied native CD8 T cells interacting with APCs and with cancer cells in different micro-niches of human tumors, finding that T cell speed was variable by region and by patient, was independent of T cell density and was inversely correlated with local tumor density. Across a range of tumor types, we found a strong relationship between CD8 T cell motility and exhausted T cell state that corresponds to observations made in mouse models where exhausted T cells move faster. While this is a small study, it demonstrates at least two types of T cell dynamic states in individual human tumors and supports the existence of an active program in ‘exhausted’ T cells that extends beyond incapacitating them.

Abstract The placenta, the first organ to functionally mature, undergoes disordered development in many pregnancy complications. Molecular investigations have been hampered by the extreme cellular heterogeneity of the placenta, and this complexity is further exaggerated at the maternal-fetal interface where maternal and fetal cells co-mingle. We generated the paired single nucleus epigenomes and transcriptome for each of ∼200,000 cells at the human maternal-fetal interface from early pregnancy to term. These data identified cell-type-specific transcriptional regulatory programs and uncovered key transcription factors driving the lineage differentiation of placental cytotrophoblasts. Integrating spatial single cell proteomics profiling, we localized the observed cell types in situ , and characterized the dynamic stages and distinct features of endothelial cells of maternal spiral arteries remodeled by extravillous cytotrophoblasts. Integrative analyses of the single cell data across gestation enabled fine-mapping of the developmental trajectories of cytotrophoblasts and decidual stromal cells, and defining the signature molecular profiles of known and novel cell (sub)types. To demonstrate clinical value, we integrated the reference single cell data with large-scale population genomes from pregnancy complications and identified the most vulnerable maternal and fetal cell types in preeclampsia, preterm birth, and miscarriage. This study presents the most comprehensive placental and decidual single cell resource across gestation to date, reveals new insights into the drivers of normal human placentation, and uncovers the cellular basis of dysfunction associated with common pregnancy complications.

Abstract The Autoimmune Regulator ( Aire ) gene, well defined for its role in medullary thymic epithelial cells (mTECs) and immune self-tolerance, is also expressed in extrathymic Aire -expressing cells (eTACs) in the secondary lymphoid organs. eTACs have been shown to be hematopoietic antigen presenting cells (APCs) and potent inducers of immune tolerance (1–3). However, the precise identity and function of these cells remain unclear. Here, we use high-dimensional single-cell multiomics and functional approaches to define eTACs at the transcriptional, genomic, and proteomic level. We find that eTACs consist of two similar cell types: CCR7+ Aire-expressing migratory dendritic cells (AmDCs) and a unique Aire-hi population co-expressing Aire and RAR-related orphan receptor gamma-t (RORγt). The latter, which have significant transcriptional and genomic homology to migratory dendritic cells (migDCs) and mTECs, we term Janus cells (JCs). All eTACs, and JCs in particular, have a highly accessible chromatin structure and high levels of broad gene expression, including tissue-specific antigens, as well as remarkable transcriptional and genomic homology to thymic medullary epithelium. As in the thymus, Aire expression in eTACs is also dependent on RANK-RANK-ligand interactions. Furthermore, lineage-tracing shows that JCs are not precursors to the majority of AmDCs. Finally, self-antigen expression by eTACs is sufficient to mediate negative selection of T cells escaping thymic selection and can prevent autoimmune diabetes in non-obese diabetic mice. This transcriptional, genomic, and functional symmetry between a hematopoietic Aire-expressing population in the periphery and an epithelial Aire-expressing population in the thymus suggests that a core biological program may influence self-tolerance and self-representation across the spectrum of immune development.