Summary

 Individual reports suggest that the central nervous system (CNS) contains multiple immune cell types with diverse roles in tissue homeostasis, immune defense, and neurological diseases. It has been challenging to map leukocytes across the entire brain, and in particular in pathology, where phenotypic changes and influx of blood-derived cells prevent a clear distinction between reactive leukocyte populations. Here, we applied high-dimensional single-cell mass and fluorescence cytometry, in parallel with genetic fate mapping systems, to identify, locate, and characterize multiple distinct immune populations within the mammalian CNS. Using this approach, we revealed that microglia, several subsets of border-associated macrophages and dendritic cells coexist in the CNS at steady state and exhibit disease-specific transformations in the immune microenvironment during aging and in models of Alzheimer's disease and multiple sclerosis. Together, these data and the described framework provide a resource for the study of disease mechanisms, potential biomarkers, and therapeutic targets in CNS disease.

Cytotoxic T cells are essential mediators of protective immunity to viral infection and malignant tumours and are a key target of immunotherapy approaches. However, prolonged exposure to cognate antigens often attenuates the effector capacity of T cells and limits their therapeutic potential1–4. This process, known as T cell exhaustion or dysfunction1, is manifested by epigenetically enforced changes in gene regulation that reduce the expression of cytokines and effector molecules and upregulate the expression of inhibitory receptors such as programmed cell-death 1 (PD-1)5–8. The underlying molecular mechanisms that induce and stabilize the phenotypic and functional features of exhausted T cells remain poorly understood9–12. Here we report that the development and maintenance of populations of exhausted T cells in mice requires the thymocyte selection-associated high mobility group box (TOX) protein13–15. TOX is induced by high antigen stimulation of the T cell receptor and correlates with the presence of an exhausted phenotype during chronic infections with lymphocytic choriomeningitis virus in mice and hepatitis C virus in humans. Removal of its DNA-binding domain reduces the expression of PD-1 at the mRNA and protein level, augments the production of cytokines and results in a more polyfunctional T cell phenotype. T cells with this deletion initially mediate increased effector function and cause more severe immunopathology, but ultimately undergo a massive decline in their quantity, notably among the subset of TCF-1+ self-renewing T cells. Altogether, we show that TOX is a critical factor for the normal progression of T cell dysfunction and the maintenance of exhausted T cells during chronic infection, and provide a link between the suppression of effector function intrinsic to CD8 T cells and protection against immunopathology. TOX is a critical factor for the normal progression of T cell dysfunction and the maintenance of exhausted T cells during chronic infections.

Central nervous system myelin is a multilayered membrane sheath generated by oligodendrocytes for rapid impulse propagation. However, the underlying mechanisms of myelin wrapping have remained unclear. Using an integrative approach of live imaging, electron microscopy, and genetics, we show that new myelin membranes are incorporated adjacent to the axon at the innermost tongue. Simultaneously, newly formed layers extend laterally, ultimately leading to the formation of a set of closely apposed paranodal loops. An elaborated system of cytoplasmic channels within the growing myelin sheath enables membrane trafficking to the leading edge. Most of these channels close with ongoing development but can be reopened in adults by experimentally raising phosphatidylinositol-(3,4,5)-triphosphate levels, which reinitiates myelin growth. Our model can explain assembly of myelin as a multilayered structure, abnormal myelin outfoldings in neurological disease, and plasticity of myelin biogenesis observed in adult life.PaperFlickeyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiIzNTkyMzAxOTIzODhjMmU4MjAyZWFmYWRjZDEwMmQ4ZSIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4ODM3MTg1fQ.pY6mYLPtu4j9Y2OCRZvRWNpUJ3T_9iTfG9FBWZW7fXRwEboVkMQ1kNQFBK3N59uMEncrDYP7Estccrj9cR8lGUDE9FUPl-KqTUCiSgiLlSEi3i3zLCygv-qVfOrq3SNYQVbvL09ybAQj4XWi_z5TC3c6BWyo6KzfSv4zh58s2AjkQP54g-fUZZuaOTANiChUCSdW1jpHPruDmODpkzihgC2_hetZOxyRBsCI3n1vGA7Vx0ZXzAFMJZZBNP88Pdc27D5_bZCG8YXBLzOTFBOsGeNWXiMwwX1JA-0q5y02FrYi3Qm52oXUuGcDLTu0TnaL-DtW14bgiPqTmA7sKujA2g(mp4, (13.26 MB) Download video

Sound the Alarm When small protein fragments or nucleic acids derived from an invading pathogen are detected by pattern recognition receptors on immune cells, the innate immune response is triggered. This event activates cells of the adaptive immune system, and together, both responses clear the infection. Infections also induce the release of “danger-associated molecular patterns,” or alarmins, from the host as a result of tissue damage. Whether these are also important for the ensuing immune response is less clear. Bonilla et al. (p. 984 , published online 2 February) report that the alarmin, interleukin-33, is required for optimal cytotoxic CD8 + T cells responses and antiviral immunity in mice. In virus-infected mice deficient in IL-33 or its receptor, IL-33 is essential for signaling CD8 + T cells to expand, produce multiple cytokines and acquire cytotoxic capabilities. These results showed that endogenous material, independently of pathogen-derived molecules, are also required for antiviral immunity.

The action of type I interferons in the central nervous system (CNS) during autoimmunity is largely unknown. Here, we demonstrate elevated interferon beta concentrations in the CNS, but not blood, of mice with experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), a model for CNS autoimmunity. Furthermore, mice devoid of the broadly expressed type I IFN receptor (IFNAR) developed exacerbated clinical disease accompanied by a markedly higher inflammation, demyelination, and lethality without shifting the T helper 17 (Th17) or Th1 cell immune response. Whereas adoptive transfer of encephalitogenic T cells led to enhanced disease in Ifnar1−/− mice, newly created conditional mice with B or T lymphocyte-specific IFNAR ablation showed normal EAE. The engagement of IFNAR on neuroectodermal CNS cells had no protective effect. In contrast, absence of IFNAR on myeloid cells led to severe disease with an enhanced effector phase and increased lethality, indicating a distinct protective function of type I IFNs during autoimmune inflammation of the CNS.

In chronic inflammatory diseases of the central nervous system (CNS), immune cells persisting behind the blood-brain barrier are supposed to promulgate local tissue destruction. The drivers of such compartmentalized inflammation remain unclear, but tissue-resident memory T cells (TRM) represent a potentially important cellular player in this process. Here, we investigated whether resting CD8+ TRM persisting after cleared infection with attenuated lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) can initiate immune responses directed against cognate self-antigen in the CNS. We demonstrated that time-delayed conditional expression of the LCMV glycoprotein as neo-self-antigen by glia cells reactivated CD8+ TRM. Subsequently, CD8+ TRM expanded and initiated CNS inflammation and immunopathology in an organ-autonomous manner independently of circulating CD8+ T cells. However, in the absence of CD4+ T cells, TCF-1+ CD8+ TRM failed to expand and differentiate into terminal effectors. Similarly, in human demyelinating CNS autoimmune lesions, we found CD8+ T cells expressing TCF-1 that predominantly exhibited a TRM-like phenotype. Together, our study provides evidence for CD8+ TRM-driven CNS immunopathology and sheds light on why inflammatory processes may evade current immunomodulatory treatments in chronic autoimmune CNS conditions.

Abstract Plasma cells and their secreted antibodies play a central role in the long-term protection against chronic viral infection. However, due to experimental limitations, a comprehensive description of linked genotypic, phenotypic, and antibody repertoire features of plasma cells (gene expression, clonal frequency, virus specificity, and affinity) has been challenging to obtain. To address this, we performed single-cell transcriptome and antibody repertoire sequencing of the murine bone marrow plasma cell population following chronic lymphocytic choriomeningitis virus infection. Our single-cell sequencing approach recovered full-length and paired heavy and light chain sequence information for thousands of plasma cells and enabled us to perform recombinant antibody expression and specificity screening. Antibody repertoire analysis revealed that, relative to protein immunization, chronic infection led to increased levels of clonal expansion, class-switching, and somatic variants. Furthermore, antibodies from the highly expanded and class-switched (IgG) plasma cells were found to be specific for multiple viral antigens and a subset of clones exhibited cross-reactivity to non-viral- and auto-antigens. Integrating single-cell transcriptome data with antibody specificity suggested that plasma cell transcriptional phenotype was correlated to viral antigen specificity. Our findings demonstrate that chronic viral infection can induce and sustain plasma cell clonal expansion, combined with significant somatic hypermutation, and can generate cross-reactive antibodies. Graphical abstract. Single-cell sequencing reveals clonally expanded plasma cells during chronic viral infection produce virus-specific and cross-reactive antibodies.

Inflammation-induced neurodegeneration is a defining feature of multiple sclerosis (MS), yet the underlying mechanisms remain unclear. By dissecting the neuronal inflammatory stress response, we discovered that neurons in MS and its mouse model induce the stimulator of interferon genes (STING). However, activation of neuronal STING requires its detachment from the stromal interaction molecule 1 (STIM1), a process triggered by glutamate excitotoxicity. This detachment initiates non-canonical STING signaling, which leads to autophagic degradation of glutathione peroxidase 4 (GPX4), essential for neuronal redox homeostasis and thereby inducing ferroptosis. Both genetic and pharmacological interventions that target STING in neurons protect against inflammation-induced neurodegeneration. Our findings position STING as a central regulator of the detrimental neuronal inflammatory stress response, integrating inflammation with glutamate signaling to cause neuronal cell death, and present it as a tractable target for treating neurodegeneration in MS.