The emerging notion of environment-induced reprogramming of Foxp3+ regulatory T (Treg) cells into helper T (Th) cells remains controversial. By genetic fate mapping or adoptive transfers, we have identified a minor population of nonregulatory Foxp3+ T cells exhibiting promiscuous and transient Foxp3 expression, which gave rise to Foxp3− ("exFoxp3") Th cells and selectively accumulated in inflammatory cytokine milieus or in lymphopenic environments including those in early ontogeny. In contrast, Treg cells did not undergo reprogramming under those conditions irrespective of their thymic or peripheral origins. Moreover, although a few Treg cells transiently lose Foxp3 expression, such "latent" Treg cells retained their memory and robustly re-expressed Foxp3 and suppressive function upon activation. This study establishes that Treg cells constitute a stable cell lineage, whose committed state in a changing environment is ensured by DNA demethylation of the Foxp3 locus irrespectively of ongoing Foxp3 expression.

Abstract Stable expression of Foxp3 in regulatory T cells (Tregs) depends on DNA demethylation at the Treg-specific demethylated region (TSDR), a conserved, CpG-rich region within the Foxp3 locus. The TSDR is selectively demethylated in ex vivo Tregs purified from secondary lymphoid organs, but it is unclear at which stage of Treg development demethylation takes place. In this study, we show that commitment to a stable lineage occurred during early stages of murine thymic Treg development by engraving of lineage-specific epigenetic marks in parallel with establishment of a Treg-specific gene expression profile. TSDR demethylation was achieved through an active mechanism and involved enzymes of the ten-eleven-translocation family and hydroxylation of methylated cytosines, a modification that is implicated as an initiating step of mitosis-independent DNA demethylation pathways and has not yet been observed at specific loci during immune cell differentiation. Together, our results demonstrate that initiating TSDR demethylation during early stages of thymic Treg development commences stabilization of Foxp3 expression and guarantees full functionality and long-term lineage stability of Tregs.

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.

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. In addition, 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 The thymus, a crucial organ for T cell development, undergoes transient involution following exposure to sublethal total body irradiation. The impact of sublethal irradiation on the thymus is reportedly bimodal: thymic involution recurs after the recovery of the thymus from the initial impact of acute sublethal irradiation. While the second impact of acute irradiation has been acknowledged for thymocytes, its influence on thymic epithelial cells (TECs), which are crucial for thymic T cell differentiation and selection, remains to be elucidated. In this study, we aim to elucidate this influence. Mice were subjected to acute sublethal total body irradiation, and TECs were evaluated at three distinct time points: during the initial impact, during the recovery phase post-initial impact, and during the second impact phase. Flow cytometry analysis revealed that during the second impact phase, mTECs were reduced, whereas cTECs remained unaffected. Among mTECs, the subset expressing high levels of the co-stimulatory molecule CD80 (mTEC hi ) experienced the most pronounced reduction. RNA sequencing analysis of mTEC hi cells at early differentiation stages revealed significant alterations in gene expression profiles during the second impact phase. Notably, gene signatures of tuft-like TECs and Aire-expressing TECs were preferentially influenced in these mTEC hi subpopulations. These findings suggest that acute total body irradiation disrupts mTEC frequencies and gene expression in a bimodal manner, possibly compromising thymic functions over extended periods.

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.

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 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.

Medullary thymic epithelial cells (mTECs) play a crucial role in suppressing the onset of autoimmunity by eliminating autoreactive T cells and promoting the development of regulatory T cells in the thymus. Although mTECs undergo turnover in adults, the molecular mechanisms behind this process remain unclear. This study describes the direct and indirect roles of receptor activator of NF-κB (RANK) and CD40 signaling in TECs in the adult thymus. Flow cytometric and single-cell RNA-seq (scRNA-seq) analyses suggest that the depletion of both RANK and CD40 signaling inhibits mTEC differentiation from CCL21