Spaceflight induces an immune response in astronauts. To better characterize this effect, we generated single-cell, multi-ome, cell-free RNA (cfRNA), biochemical, and hematology data for the SpaceX Inspiration4 (I4) mission crew. We found that 18 cytokines/chemokines related to inflammation, aging, and muscle homeostasis changed after spaceflight. In I4 single-cell multi-omics data, we identified a "spaceflight signature" of gene expression characterized by enrichment in oxidative phosphorylation, UV response, immune function, and TCF21 pathways. We confirmed the presence of this signature in independent datasets, including the NASA Twins Study, the I4 skin spatial transcriptomics, and 817 NASA GeneLab mouse transcriptomes. Finally, we observed that (1) T cells showed an up-regulation of FOXP3, (2) MHC class I genes exhibited long-term suppression, and (3) infection-related immune pathways were associated with microbiome shifts. In summary, this study reveals conserved and distinct immune disruptions occurring and details a roadmap for potential countermeasures to preserve astronaut health.

Abstract Microgravity is associated with immunological dysfunction, though the mechanisms are poorly understood. Here, using single-cell analysis of human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) exposed to short term (25 hours) simulated microgravity, we characterize altered genes and pathways at basal and stimulated states with a Toll-like Receptor-7/8 agonist. We validate single-cell analysis by RNA sequencing and super-resolution microscopy, and against data from the Inspiration-4 (I4) mission, JAXA (Cell-Free Epigenome) mission, Twins study, and spleens from mice on the International Space Station. Overall, microgravity alters specific pathways for optimal immunity, including the cytoskeleton, interferon signaling, pyroptosis, temperature-shock, innate inflammation (e.g., Coronavirus pathogenesis pathway and IL-6 signaling), nuclear receptors, and sirtuin signaling. Microgravity directs monocyte inflammatory parameters, and impairs T cell and NK cell functionality. Using machine learning, we identify numerous compounds linking microgravity to immune cell transcription, and demonstrate that the flavonol, quercetin, can reverse most abnormal pathways. These results define immune cell alterations in microgravity, and provide opportunities for countermeasures to maintain normal immunity in space.

Abstract The rebound-competent viral reservoir (RCVR), comprised of virus that is able to persist during antiretroviral therapy (ART) and mediate reactivation of systemic viral replication and rebound viremia after antiretroviral therapy interruption (ATI), remains the biggest obstacle to the eradication of HIV infection. A better understanding of the cellular and tissue origins and the dynamics of viral populations that initiate rebound upon ATI could help develop targeted therapeutic strategies for reducing the RCVR. In this study, barcoded SIVmac239M was used to infect rhesus macaques to enable monitoring of viral barcode clonotypes contributing to virus detectable in plasma after ATI. Blood, lymphoid tissues (LTs, spleen, mesenteric and inguinal lymph nodes), and non-lymphoid tissues (NLTs, colon, ileum, lung, liver, and brain) were analyzed using viral barcode sequencing, intact proviral DNA assay, single-cell RNA sequencing, and combined CODEX/RNAscope/ in situ hybridization. Four of seven animals had viral barcodes detectable by deep sequencing of plasma at necropsy although plasma viral RNA remained < 22 copies/mL. Among the tissues studied, mesenteric and inguinal lymph nodes, and spleen contained viral barcodes detected in plasma, and trended to have higher cell-associated viral loads, higher intact provirus levels, and greater diversity of viral barcodes. CD4+ T cells were the main cell type harboring viral RNA (vRNA) after ATI. Further, T cell zones in LTs showed higher vRNA levels than B cell zones for most animals. These findings are consistent with LTs contributing to virus present in plasma early after ATI. One Sentence Summary The reemerging of SIV clonotypes at early post-ATI are likely from the secondary lymphoid tissues.

Abstract Telomeres are repetitive nucleoprotein complexes at chromosomal termini essential for maintaining genome stability. Telomeric RNA, or TERRA, is a previously presumed long noncoding RNA of heterogeneous lengths that contributes to end-capping structure and function, and facilitates telomeric recombination in tumors that maintain telomere length via the telomerase-independent Alternative Lengthening of Telomeres (ALT) pathway. Here, we investigated TERRA in the radiation-induced DNA damage response (DDR) across astronauts, high-altitude climbers, healthy donors, and cellular models. Similar to astronauts in the space radiation environment and climbers of Mt. Everest, in vitro radiation exposure prompted increased transcription of TERRA, while simulated microgravity did not. Data suggest a specific TERRA DDR to telomeric double-strand breaks (DSBs), and provide direct demonstration of hybridized TERRA at telomere-specific DSB sites, indicative of protective TERRA:telomeric DNA hybrid formation. Targeted telomeric DSBs also resulted in accumulation of TERRA foci in G2-phase, supportive of TERRA’s role in facilitating recombination-mediated telomere elongation. Results have important implications for scenarios involving persistent telomeric DNA damage, such as those associated with chronic oxidative stress (e.g., aging, systemic inflammation, environmental and occupational radiation exposures), which can trigger transient ALT in normal human cells, as well as for targeting TERRA as a therapeutic strategy against ALT-positive tumors.

A dysregulated adaptive immune system is a key feature of aging, and is associated with age-related chronic diseases and mortality. Most notably, aging is linked to a loss in the diversity of the T cell repertoire and expansion of activated inflammatory age-related T cell subsets, though the main drivers of these processes are largely unknown. Here, we find that T cell aging is directly influenced by B cells. Using multiple models of B cell manipulation and single-cell omics, we find B cells to be a major cell type that is largely responsible for the age-related reduction of naive T cells, their associated differentiation towards pathogenic immunosenescent T cell subsets, and for the clonal restriction of their T cell receptor (TCR). Accordingly, we find that these pathogenic shifts can be therapeutically targeted via CD20 monoclonal antibody treatment. Mechanistically, we uncover a new role for insulin receptor signaling in influencing age-related B cell pathogenicity that in turn induces T cell dysfunction and a decline in healthspan parameters. These results establish B cells as a pivotal force contributing to age-associated adaptive immune dysfunction and healthspan outcomes, and suggest new modalities to manage aging and related multi-morbidity.

Abstract The “gut-brain axis” is emerging as an important target in Alzheimer’s disease (AD). However, immunological mechanisms underlying this axis remain poorly understood. Using single-cell RNA sequencing of the colon immune compartment in the 5XFAD amyloid-β (Aβ) mouse model, we uncovered AD-associated changes in ribosomal activity, oxidative stress, and BCR/plasma cell activity. Strikingly, levels of colon CXCR4 + antibody secreting cells (ASCs) were significantly reduced. This corresponded with accumulating CXCR4 + B cells and gut-specific IgA + cells in the brain and dura mater, respectively. Consistently, a chemokine ligand for CXCR4, CXCL12, was expressed at higher levels in 5XFAD glial cells and in in silico analyzed human brain studies, supporting altered neuroimmune trafficking. An inulin prebiotic fiber diet attenuated AD markers including Aβ plaques and overall frailty. These changes corresponded to an expansion of gut IgA + cells and rescued peripheral T regs levels. Our study points to a key glia-gut axis and potential targets against AD. Study Highlights AD is associated with altered immune parameters in the gut of 5XFAD mice. 5 XFAD colon has reduced ASCs, including CXCR4 + cells with a migratory gene signature. 5XFAD brain gliosis includes increased CXCL12 expression. CXCR4 + B cells and gut-specific IgA + ASCs accumulate in the 5XFAD brain and/or dura mater. Inulin diet attenuates AD disease parameters while boosting IgA + cell and T reg levels.

Abstract RNA-seq data contains not only host transcriptomes but also non-host information that comprises transcripts from active microbiota in the host cells. Therefore, joint and integrative analyses of both host and meta-transcriptome can reveal gene expression of microbial community in a given sample as well as the correlative and interactive dynamics of host response to the microbiome. However, there are no convenient tools that can systemically analyze host-microbiota interactions by simultaneously quantifying host and meta-transcriptome in the same sample at the tissue and the single-cell level, which poses a challenge for interested researchers with a limited expertise in bioinformatics. Here, we developed a software pipeline that can comprehensively and synergistically analyze and correlate the host and meta-transcriptome in a single sample using bulk and single-cell RNA-seq data. This pipeline, named MTD, can extensively identify and quantify microbiome, including viruses, bacteria, protozoa, fungi, plasmids, and vectors in the host cells and correlate the microbiome with the host transcriptome. MTD is easy to install and run, involving only a few lines of simple commands. It empowers researchers with unique genomics insights into host immune responses to microorganisms.