Inflammation is a beneficial host response to infection but can contribute to inflammatory disease if unregulated. The Th17 lineage of T helper (Th) cells can cause severe human inflammatory diseases. These cells exhibit both instability (they can cease to express their signature cytokine, IL-17A) and plasticity (they can start expressing cytokines typical of other lineages) upon in vitro re-stimulation. However, technical limitations have prevented the transcriptional profiling of pre- and post-conversion Th17 cells ex vivo during immune responses. Thus, it is unknown whether Th17 cell plasticity merely reflects change in expression of a few cytokines, or if Th17 cells physiologically undergo global genetic reprogramming driving their conversion from one T helper cell type to another, a process known as transdifferentiation. Furthermore, although Th17 cell instability/plasticity has been associated with pathogenicity, it is unknown whether this could present a therapeutic opportunity, whereby formerly pathogenic Th17 cells could adopt an anti-inflammatory fate. Here we used two new fate-mapping mouse models to track Th17 cells during immune responses to show that CD4(+) T cells that formerly expressed IL-17A go on to acquire an anti-inflammatory phenotype. The transdifferentiation of Th17 into regulatory T cells was illustrated by a change in their signature transcriptional profile and the acquisition of potent regulatory capacity. Comparisons of the transcriptional profiles of pre- and post-conversion Th17 cells also revealed a role for canonical TGF-β signalling and consequently for the aryl hydrocarbon receptor (AhR) in conversion. Thus, Th17 cells transdifferentiate into regulatory cells, and contribute to the resolution of inflammation. Our data suggest that Th17 cell instability and plasticity is a therapeutic opportunity for inflammatory diseases.

Chronic mucosal inflammation and tissue damage predisposes patients to the development of colorectal cancer. This association could be explained by the hypothesis that the same factors and pathways important for wound healing also promote tumorigenesis. A sensor of tissue damage should induce these factors to promote tissue repair and regulate their action to prevent development of cancer. Interleukin 22 (IL-22), a cytokine of the IL-10 superfamily, has an important role in colonic epithelial cell repair, and its levels are increased in the blood and intestine of inflammatory bowel disease patients. This cytokine can be neutralized by the soluble IL-22 receptor, known as the IL-22 binding protein (IL-22BP, also known as IL22RA2); however, the significance of endogenous IL-22BP in vivo and the pathways that regulate this receptor are unknown. Here we describe that IL-22BP has a crucial role in controlling tumorigenesis and epithelial cell proliferation in the colon. IL-22BP is highly expressed by dendritic cells in the colon in steady-state conditions. Sensing of intestinal tissue damage via the NLRP3 or NLRP6 inflammasomes led to an IL-18-dependent downregulation of IL-22BP, thereby increasing the ratio of IL-22/IL-22BP. IL-22, which is induced during intestinal tissue damage, exerted protective properties during the peak of damage, but promoted tumour development if uncontrolled during the recovery phase. Thus, the IL-22-IL-22BP axis critically regulates intestinal tissue repair and tumorigenesis in the colon.

Interleukin-17-producing T helper (TH17) cells serve an important role in the immune system, but are strongly implicated in the pathogenesis of numerous autoimmune diseases including rheumatoid arthritis and multiple sclerosis. How the immune system controls TH17 cells in vivo remains unclear. Using mice in which tolerance was induced by CD3-specific antibody, a model of sepsis and influenza A viral infection, Esplugues et al. demonstrate that TH17 cells are kept in check by redirecting the cells to the small intestine where they are eliminated or re-programmed to acquire immunosuppressive and regulatory properties. This work identifies the gastrointestinal tract as a site for control of TH17 cells. Interleukin (IL)-17-producing T helper cells (TH17) are a recently identified CD4+ T cell subset distinct from T helper type 1 (TH1) and T helper type 2 (TH2) cells1. TH17 cells can drive antigen-specific autoimmune diseases and are considered the main population of pathogenic T cells driving experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE)2, the mouse model for multiple sclerosis. The factors that are needed for the generation of TH17 cells have been well characterized3,4,5,6. However, where and how the immune system controls TH17 cells in vivo remains unclear. Here, by using a model of tolerance induced by CD3-specific antibody, a model of sepsis and influenza A viral infection (H1N1), we show that pro-inflammatory TH17 cells can be redirected to and controlled in the small intestine. TH17-specific IL-17A secretion induced expression of the chemokine CCL20 in the small intestine, facilitating the migration of these cells specifically to the small intestine via the CCR6/CCL20 axis. Moreover, we found that TH17 cells are controlled by two different mechanisms in the small intestine: first, they are eliminated via the intestinal lumen; second, pro-inflammatory TH17 cells simultaneously acquire a regulatory phenotype with in vitro and in vivo immune-suppressive properties (rTH17). These results identify mechanisms limiting TH17 cell pathogenicity and implicate the gastrointestinal tract as a site for control of TH17 cells.

T helper 17 (Th17) cells are important for host defense against extracellular microorganisms. However, they are also implicated in autoimmune and chronic inflammatory diseases, and as such need to be tightly regulated. The mechanisms that directly control committed pathogenic Th17 cells in vivo remain unclear. We showed here that IL-17A-producing CD4+ T cells expressed interleukin-10 receptor α (IL-10Rα) in vivo. Importantly, T cell-specific blockade of IL-10 signaling led to a selective increase of IL-17A+IFN-γ⁻ (Th17) and IL-17A+IFN-γ+ (Th17+Th1) CD4+ T cells during intestinal inflammation in the small intestine. CD4+Foxp3⁻ IL-10-producing (Tr1) cells and CD4+Foxp3+ regulatory (Treg) cells were able to control Th17 and Th17+Th1 cells in an IL-10-dependent manner in vivo. Lastly, IL-10 treatment of mice with established colitis decreased Th17 and Th17+Th1 cell frequencies via direct signaling in T cells. Thus, IL-10 signaling directly suppresses Th17 and Th17+Th1 cells.

Summary

 The intestinal mucosal barrier controlling the resident microbiome is dependent on a protective mucus layer generated by goblet cells, impairment of which is a hallmark of the inflammatory bowel disease, ulcerative colitis. Here, we show that IL-18 is critical in driving the pathologic breakdown of barrier integrity in a model of colitis. Deletion of Il18 or its receptor Il18r1 in intestinal epithelial cells (Δ/EC) conferred protection from colitis and mucosal damage in mice. In contrast, deletion of the IL-18 negative regulator Il18bp resulted in severe colitis associated with loss of mature goblet cells. Colitis and goblet cell loss were rescued in Il18bp^−/−;Il18r^Δ/EC mice, demonstrating that colitis severity is controlled at the level of IL-18 signaling in intestinal epithelial cells. IL-18 inhibited goblet cell maturation by regulating the transcriptional program instructing goblet cell development. These results inform on the mechanism of goblet cell dysfunction that underlies the pathology of ulcerative colitis.

Local macrophage clean-up Infection, especially by helminths or bacteria, can cause tissue damage (see the Perspective by Bouchery and Harris). Minutti et al. studied mouse models of helminth infection and fibrosis. They expressed surfactant protein A (a member of the complement component C1q family) in the lung, which enhanced interleukin-4 (IL-4)-mediated proliferation and activation of alveolar macrophages. This activation accelerated helminth clearance and reduced lung injury. In the peritoneum, C1q boosted macrophage activation for liver repair after bacterial infection. By a different approach, Bosurgi et al. discovered that after wounding caused by migrating helminths in the lung or during inflammation in the gut of mice, IL-4 and IL-13 act only in the presence of apoptotic cells to promote tissue repair by local macrophages. Science , this issue p. 1076 , p. 1072 ; see also p. 1014

Psoriasis pathology is driven by the type 3 cytokines IL-17 and Il-22, but little is understood about the dynamics that initiate alterations in tissue homeostasis. Here, we use mouse models, single-cell RNA-seq (scRNA-seq), computational inference and cell lineage mapping to show that psoriasis induction reconfigures the functionality of skin-resident ILCs to initiate disease. Tissue-resident ILCs amplified an initial IL-23 trigger and were sufficient, without circulatory ILCs, to drive pathology, indicating that ILC tissue remodeling initiates psoriasis. Skin ILCs expressed type 2 cytokines IL-5 and IL-13 in steady state, but were epigenetically poised to become ILC3-like cells. ScRNA-seq profiles of ILCs from psoriatic and naïve skin of wild type (WT) and Rag1 -/- mice form a dense continuum, consistent with this model of fluid ILC states. We inferred biological “topics” underlying these states and their relative importance in each cell with a generative model of latent Dirichlet allocation, showing that ILCs from untreated skin span a spectrum of states, including a naïve/quiescent-like state and one expressing the Cd74 and Il13 but little Il5 . Upon disease induction, this spectrum shifts, giving rise to a greater proportion of classical Il5- and Il13- expressing “ILC2s” and a new, mixed ILC2/ILC3-like subset, expressing Il13, Il17, and Il22 . Using these key topics, we related the cells through transitions, revealing a quiescence-ILC2-ILC3s state trajectory. We demonstrated this plasticity in vivo , combining an IL-5 fate mouse with IL-17A and IL-22 reporters, validating the transition of IL-5–producing ILC2s to IL-22– and IL-17A–producing cells during disease initiation. Thus, steady-state skin ILCs are actively repressed and cued for a plastic, type 2 response, which, upon induction, morphs into a type 3 response that drives psoriasis. This suggests a general model where specific immune activities are primed in healthy tissue, dynamically adapt to provocations, and left unchecked, drive pathological remodeling.

Objective There is a strong clinical association between IBD and primary sclerosing cholangitis (PSC), a chronic disease of the liver characterised by biliary inflammation that leads to strictures and fibrosis. Approximately 60%–80% of people with PSC will also develop IBD (PSC-IBD). One hypothesis explaining this association would be that PSC drives IBD. Therefore, our aim was to test this hypothesis and to decipher the underlying mechanism. Design Colitis severity was analysed in experimental mouse models of colitis and sclerosing cholangitis, and people with IBD and PSC-IBD. Foxp3 + Treg-cell infiltration was assessed by qPCR and flow cytometry. Microbiota profiling was carried out from faecal samples of people with IBD, PSC-IBD and mouse models recapitulating these diseases. Faecal microbiota samples collected from people with IBD and PSC-IBD were transplanted into germ-free mice followed by colitis induction. Results We show that sclerosing cholangitis attenuated IBD in mouse models. Mechanistically, sclerosing cholangitis causes an altered intestinal microbiota composition, which promotes Foxp3 + Treg-cell expansion, and thereby protects against IBD. Accordingly, sclerosing cholangitis promotes IBD in the absence of Foxp3 + Treg cells. Furthermore, people with PSC-IBD have an increased Foxp3 + expression in the colon and an overall milder IBD severity. Finally, by transplanting faecal microbiota into gnotobiotic mice, we showed that the intestinal microbiota of people with PSC protects against colitis. Conclusion This study shows that PSC attenuates IBD and provides a comprehensive insight into the mechanisms involved in this effect.

Abstract Single cell sequencing provides detailed insights into biological processes including cell differentiation and identity. While providing deep cell-specific information, the method suffers from technical constraints, most notably a limited number of expressed genes per cell, which leads to suboptimal clustering and cell type identification. Here we present DISCERN, a novel deep generative network that reconstructs missing single cell gene expression using a reference dataset. DISCERN outperforms competing algorithms in expression inference resulting in greatly improved cell clustering, cell type and activity detection, and insights into the cellular regulation of disease. We used DISCERN to detect two unseen COVID-19-associated T cell types, cytotoxic CD4 + and CD8 + Tc2 T helper cells, with a potential role in adverse disease outcome. We utilized T cell fraction information of patient blood to classify mild or severe COVID-19 with an AUROC of 81% that can serve as a biomarker of disease stage. DISCERN can be easily integrated into existing single cell sequencing workflows and readily adapted to enhance various other biomedical data types.