ABSTRACT The biological mechanisms that sustain the vast blood production required for healthy life remain incompletely understood. To address this knowledge gap, we developed an in vivo hematopoietic stem cell (HSC)-based large-scale CRISPR knockout screening platform to enable the genetic interrogation of hematopoiesis and broad aspects of immune cell function in vivo. Targeting ∼7000 genes with this methodology, we discovered SAGA complex members Tada2b and Taf5l as key regulators of HSC lineage commitment. Loss of Tada2b or Taf5l inhibited hematopoiesis in vivo and was associated with upregulation of interferon response gene expression. SAGA complex member expression is significantly reduced in aged HSCs and upregulated with heterochronic parabiosis, suggesting a novel mechanism of age-associated hematopoietic decline and rejuvenation. Our study provides a rich functional genetics resource of hematopoiesis regulators accessible through a public interactive database ( www.hematopoiesiscrisprscreens.com ), a novel mechanism regulating age-related decline of hematopoiesis, and a new methodology with broad applications to systematically probe the development and functions of the lymphohematopoietic system.

Summary Medullary thymic epithelial cells (mTECs) are critical for self-tolerance induction in T cells via promiscuous expression of tissue-specific antigens (TSAs), which are controlled by transcriptional regulator AIRE. Whereas AIRE-expressing (Aire + ) mTECs undergo constant turnover in the adult thymus, mechanisms underlying differentiation of postnatal mTECs remain to be discovered. Integrative analysis of single-cell assays for transposase accessible chromatin (scATAC-seq) and single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) suggested the presence of proliferating mTECs with a specific chromatin structure, which express high levels of Aire and co-stimulatory molecules CD80 (Aire + CD80 hi ). Proliferating Aire + CD80 hi mTECs detected by using Fucci technology express a minimal level of Aire-dependent TSAs and are converted into quiescent Aire + CD80 hi mTECs expressing high levels of TSAs after a transit amplification. These data provide evidence for the existence of transit amplifying Aire + mTEC precursors during Aire + mTEC differentiation process of the postnatal thymus.

Abstract The thymus has the ability to regenerate from acute injury caused by radiation, infection, and stressors. In addition to thymocytes, thymic epithelial cells in the medulla (mTECs), which are crucial for T cell self-tolerance by ectopically expressing and presenting thousands of tissue-specific antigens (TSAs), are damaged by these insults and recover thereafter. However, given recent discoveries on the high heterogeneity of mTECs, it remains to be determined whether the frequency and properties of mTEC subsets are restored during thymic recovery from radiation damage. Here we demonstrate that acute total body irradiation with a sublethal dose induces aftereffects on heterogeneity and gene expression of mTECs. Single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) analysis showed that irradiation reduces the frequency of mTECs expressing AIRE, which is a critical regulator of TSA expression, 15 days after irradiation. In contrast, transit-amplifying mTECs (TA-mTECs), which are progenitors of AIRE-expressing mTECs, and Ccl21a-expressing mTECs, were less affected. Interestingly, detailed analysis of scRNA-seq data suggested that the proportion of a unique mTEC cluster expressing Ccl25 and high level of TSAs was severely decreased by irradiation. Overall, we propose that acute irradiation disturbs the heterogeneity and properties of mTECs, and may thereby impair TSA expression for thymic T cell selection.

Abstract The analysis of cells frozen within the International Space Station (ISS) will provide crucial insights into the impact of the space environment on cellular functions and properties. The objective of this study was to develop a method for cryopreserving blood cells under the specific constraints of the ISS. In a ground experiment, mouse blood was directly mixed with a cryoprotectant and gradually frozen at -80 °C. Thawing the frozen blood sample resulted in the successful recovery of viable mononuclear cells when using a mixed solution of dimethylsulfoxide and hydroxyethyl starch as a cryoprotectant. Additionally, we developed new freezing cases to minimize storage space utilization within the ISS freezer. Finally, we confirmed the recovery of major mononuclear immune cell subsets from the cryopreserved blood cells through a high dimensional analysis of flow cytometric data using 13 cell surface markers. Consequently, this ground study lays the foundation for the cryopreservation of viable blood cells on the ISS, enabling their analysis upon return to Earth. The application of this method in ISS studies will contribute to understanding the impact of space environments on human cells. Moreover, this method may find application in the cryopreservation of blood cells in situations where research facilities are inadequate.

Autophagy is primarily activated by cellular stress, such as starvation or mitochondrial damage. However, stress-independent autophagy is activated by unknown mechanisms in several cell types, such as thymic epithelial cells (TECs). Here we report that the mitochondrial protein, C15ORF48, is a critical inducer of stress-independent autophagy. Mechanistically, C15ORF48 reduces the mitochondrial membrane potential and lowers intracellular ATP levels, thereby activating AMP-activated protein kinase and its downstream Unc-51-like kinase 1. Interestingly, C15ORF48 induction of autophagy upregulates intracellular glutathione levels, promoting cell survival by reducing oxidative stress. Mice deficient in C15orf48 showed a reduction in stress-independent autophagy in TECs, but not in typical starvation-induced autophagy in skeletal muscles. Moreover, C15orf48-/- mice developed autoimmunity, which is consistent with the fact that the stress-independent autophagy in TECs is crucial for the thymic self-tolerance. These results suggest that C15ORF48 induces stress-independent autophagy, thereby regulating oxidative stress and self-tolerance.

Abstract Sphingosine 1-phosphate receptor 1 (S1PR1), a G protein-coupled receptor, is required for lymphocyte trafficking, and is a promising therapeutic target in inflammatory diseases. To find potent S1PR1 antagonists, identification of the structural basis for drug efficacy is important. Here, we synthesized a novel antagonist, KSI-6666, that persistently inhibits S1PR1 activity and effectively suppresses pathogenic inflammation. Metadynamics simulation suggested that the interaction of a benzene ring moiety in KSI-6666 with a methionine residue in the ligand-binding pocket of S1PR1 inhibits the dissociation of KSI-6666 from S1PR1, generating a metastable binding state. Consistently, in vitro functional and mutational analyses revealed that KSI-6666 causes pseudoirreversible inhibition of S1PR1, dependent on the methionine residue of the protein and substituents on the distal benzene ring of KSI-6666. Moreover, in vivo study suggested that this pseudoirreversible inhibition is responsible for the persistent activity of KSI-6666. These findings will contribute to the rational design of potent S1PR1 antagonists for the treatment of inflammatory disorders.

Abstract One hallmark of some autoimmune diseases is the variability of symptoms among individuals. Organs affected by the disease differ between patients, posing a challenge in diagnosing the affected organs. Although numerous studies have investigated the correlation between T cell antigen receptor (TCR) repertoires and the development of infectious and immune diseases, the correlation between TCR repertoires and variations in disease symptoms among individuals remains unclear. This study aimed to investigate the correlation of TCRα and β repertoires in blood T cells with the extent of autoimmune signs that varies among individuals. We sequenced TCRα and β of CD4 + CD44 high CD62L low T cells in the blood and stomachs of mice deficient in autoimmune regulator ( Aire ) (AIRE KO), a mouse model of human autoimmune polyendocrinopathy-candidiasis-ectodermal dystrophy (APECED). Data analysis revealed that the degree of similarity in TCR sequences between the blood and stomach varied among individual AIRE KO mice and reflected the extent of T cell infiltration in the stomach. We identified a set of TCR sequences whose frequencies in blood might correlate with extent of the stomach manifestations. Our results propose a potential of using TCR repertoires not only for diagnosing disease development but also for diagnosing affected organs in autoimmune diseases.