How early-life colonization and subsequent exposure to the microbiota affect long-term tissue immunity remains poorly understood. Here, we show that the development of mucosal-associated invariant T (MAIT) cells relies on a specific temporal window, after which MAIT cell development is permanently impaired. This imprinting depends on early-life exposure to defined microbes that synthesize riboflavin-derived antigens. In adults, cutaneous MAIT cells are a dominant population of interleukin-17A (IL-17A)-producing lymphocytes, which display a distinct transcriptional signature and can subsequently respond to skin commensals in an IL-1-, IL-18-, and antigen-dependent manner. Consequently, local activation of cutaneous MAIT cells promotes wound healing. Together, our work uncovers a privileged interaction between defined members of the microbiota and MAIT cells, which sequentially controls both tissue-imprinting and subsequent responses to injury.

ABSTRACT Immune modulation has become central to treating cancer. However, global immune stimulation is only effective in a subset of patients and can lead to serious complications, including colitis and type I diabetes. Newer modalities like engineered T cells and tumor vaccines are more specific, but they have shown limited efficacy in solid tumors and are difficult to scale. Bacterial strains from the human microbiome can induce antigen-specific T cells to help maintain barrier function. Here, we redirect CD8+ and CD4+ T cells elicited by the skin commensal Staphylococcus epidermidis to recognize tumor cells by expressing tumor-derived antigens in the bacterial cell. S. epidermidis expressing the model antigen ovalbumin ( S. epidermidis- OVA) stimulates antigen-specific CD8+ and CD4+ T cells in vitro. The subcellular localization of the antigen skews the response: cell wall-attached OVA preferentially stimulates CD8+ T cells whereas secreted OVA predominantly induces CD4+ T cells. In a syngeneic tumor model (OVA-expressing B16 melanoma), mice colonized topically with S. epidermidis- OVA exhibit a marked reduction in subcutaneous tumor volume compared to mice colonized with S. epidermidis expressing mCherry; this effect is dependent on live bacteria and a combination of CD8+ and CD4+ T cells. S. epidermidis- OVA also reduces tumor burden when tumor cells are injected intravenously (a model of metastasis), demonstrating that the antitumor effect operates in tissues distant from the site of bacterial colonization. S. epidermidis strains expressing neoantigen peptides from the B16 tumor cell line exhibit potent antitumor efficacy without inducing an autoimmune response against melanocytes in healthy tissue. Antigen-expressing colonists are a simple but powerful strategy to elicit a targeted T cell response in the context of cancer and other diseases.

ABSTRACT The ubiquitous skin colonist Staphylococcus epidermidis elicits a CD8 + T cell response pre-emptively, in the absence of an infection 1 . However, the scope and purpose of this anti-commensal immune program are not well defined, limiting our ability to harness it therapeutically. Here, we show that this colonist also induces a potent, durable, and specific antibody response that is conserved in humans and non-human primates. A series of S. epidermidis cell-wall mutants revealed that the cell surface protein Aap is a predominant target. By colonizing mice with a strain of S. epidermidis in which the parallel β-helix domain of Aap is replaced by tetanus toxin fragment C, we elicit a potent neutralizing antibody response that protects mice against a lethal challenge. A similar strain of S. epidermidis expressing an Aap-SpyCatcher chimera can be conjugated with recombinant immunogens; the resulting labeled commensal elicits high titers of antibody under conditions of physiologic colonization, including a robust IgA response in the nasal mucosa. Thus, immunity to a common skin colonist involves a coordinated T and B cell response, the latter of which can be redirected against pathogens as a novel form of topical vaccination.

Commensal skin bacteria elicit potent, antigen-specific immune responses in the skin without barrier breach or visible inflammation. While microbial modulation of immune homeostasis has profound consequences for epithelial health and inflammatory skin diseases, the mechanisms of microbe-immune crosstalk in the skin are largely unknown. A key barrier to mechanistic work has been genetic intractability of one of the most prevalent skin colonists, Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis). Here, we develop a novel method to create a library of mutants with defined cell envelope alterations in primary human S. epidermidis isolates. By colonizing mice with these mutants, we uncover bacterial molecules involved in the induction of defined immune signatures. Notably, we show that under conditions of physiologic colonization, S. epidermidis cell envelope glycolipids are sensed by C-type lectin receptors, likely in non-myeloid cells, in conjunction with Toll-like receptors. This combinatorial signaling determines the quality of T cell responses and results in the potential for greater specificity toward commensal microbiota than previously appreciated. Additionally, the microbial molecules required for the colonization-induced immune response are dispensable for T cells responses in a model of S. epidermidis infection, but differentially modulate innate inflammatory responses. Thus, the same microbe uses distinct sets of molecules to signal to the immune system commensal versus pathogenic behavior, and differential sensing of these microbial signals depends on host context.