Abstract Host-cell chromatin changes are thought to play an important role in the pathogenesis of infectious diseases. Here, we describe the first histone acetylome-wide association study (HAWAS) of an infectious disease, based on genome-wide H3K27 acetylation profiling of peripheral granulocytes and monocytes from subjects with active Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) infection and healthy controls. We detected >2,000 differentially acetylated loci in either cell type in a Chinese discovery cohort, which were validated in a subsequent multi-ethnic cohort, thus demonstrating that HAWAS can be independently corroborated. Acetylation changes were correlated with differential gene expression in a third cohort. Differential acetylation was enriched near potassium channel genes, including KCNJ15 , which modulated Akt-mTOR signaling and promoted Mtb clearance in vitro. We performed histone acetylation QTL analysis on the dataset and identified candidate causal variants for immune phenotypes. Our study serves as proof-of-principle for HAWAS to infer mechanisms of host response to pathogens.

Abstract Human heart development is governed by transcription factor (TF) networks controlling dynamic and temporal gene expression alterations. Therefore, to comprehensively characterize these transcriptional regulations, day-to-day transcriptomic profiles were generated throughout the directed cardiac differentiation, starting from three distinct human induced pluripotent stem cell lines from healthy donors (32 days). We applied an expression-based correlation score to the chronological expression profiles of the TF genes, and clustered them into 12 sequential gene expression waves. We then identified a regulatory network of more than 23 000 activation and inhibition links between 216 TFs. Within this network, we observed previously unknown inferred transcriptional activations linking IRX3 and IRX5 TFs to three master cardiac TFs: GATA4, NKX2-5 and TBX5. Luciferase and co-immunoprecipitation assays demonstrated that these 5 TFs could (1) activate each other’s expression, (2) interact physically as multiprotein complexes and (3) together, finely regulate the expression of SCN5A , encoding the major cardiac sodium channel. Altogether, these results unveiled thousands of interactions between TFs, generating multiple robust hypotheses governing human cardiac development.

Abstract Background CD4 + and CD8 + regulatory T cells (Treg) in diverse species include different subsets from different origins. In all species, CD8 + Treg have been poorly characterized. CD4 + and CD8 + Treg in rats have only partially been characterized and there is no rat model in which FOXP3 + Treg are genetically tagged. Results We generated a rat transgenic line using the CRISPR/Cas9 system in which EGFP was inserted in frame on the 3’ end of the Foxp3 gene using a 2A self-cleaving peptide. EGFP was exclusively expressed by CD4 + and CD8 + T cells in similar proportion as observed with anti-FOXP3 antibodies. CD4 + EGFP + Treg were 5-10 times more frequent than CD8 + EGFP + Treg. CD4 + and CD8 + EGFP + Treg expressed both the CD25 high CD127 low CD45RC low/- markers. The suppressive activity of CD4 + and CD8 + Treg was largely confined to EGFP + cells. RNAseq analyses showed similarities but also differences among CD4 + and CD8 + EGFP + cells and provided the first description of the natural FOXP3 + CD8 + Treg transcriptome. In vitro culture of CD4 + and CD8 + EGFP - cells with TGFbeta and IL-2 resulted in the induction of EGFP + Treg. Preferential expansion of CD4 + and CD8 + EGFP + Treg could be detected upon in vivo administration of a low dose of IL-2. Conclusions This new and unique Foxp3-EGFP rat line constitutes a useful model to identify and isolate viable natural and induced CD4 + and CD8 + Treg. Additionally, it allows to identify new molecules expressed in CD8 + Treg that may allow to better define their phenotype and function not only in rats but also in other species.

Abstract Autoimmune liver diseases (AILD) are immune-mediated disorders in which CD4 T cells play a central role. However, the link between circulating self-antigen-specific CD4 T cells and the targeted tissue has not been extensively studied in AILD. We hypothesized that circulating autoreactive CD4 T cells were clonally and functionally related to dominant intra-hepatic pathogenic CD4 T cell clones. Single cell transcriptomic analysis of circulating self-antigen-specific CD4 T cells revealed a specific B-helper and immuno-exhausted transcriptional profile, which was conserved for different autoantigens, but distinct from several other types of foreign antigen specificities. In the blood, the dominant hepatic CD4 T cell clones had a similar transcriptomic signature and were enriched in the PD-1 + TIGIT + HLA-DR + CD4 T cell subset. In a mouse model, antigen-specific CD4 T cells acquired the immuno-exhausted transcriptional profile when they accumulated in the liver after local antigen reactivity. Locally, immune checkpoint molecules controlled the response of antigen-specific CD4 T cells responsible for liver damage. Our study reveals the origin and biology of liver-derived autoreactive CD4 T cells in the blood of AILD patients that are imprinted by the liver environment, and suggest a dysregulation of the immune checkpoint molecules pathways. Our study enables tracking and isolating circulating autoreactive CD4 T cells for future diagnostic and therapeutic purposes.

Alzheimer's disease (AD) is a chronic neurodegenerative disorder characterized by the progressive accumulation of amyloid-β (Aβ) plaques and neurofibrillary tangles in the neocortex. Recent studies have implicated a role for regulatory genomic variation in AD progression, finding widespread evidence for altered DNA methylation associated with neuropathology. To date, however, no study has systematically examined other types of regulatory genomic modifications in AD. In this study, we quantified genome-wide patterns of lysine H3K27 acetylation (H3K27ac) - a robust mark of active enhancers and promoters that is strongly correlated with gene expression and transcription factor binding - in entorhinal cortex samples from AD cases and matched controls (n = 47) using chromatin immunoprecipitation followed by highly parallel sequencing (ChIP-seq). Across ~182,000 robustly detected H3K27ac peak regions, we found widespread acetylomic variation associated with AD neuropathology, identifying 4,162 differential peaks (FDR < 0.05) between AD cases and controls. These differentially acetylated peaks are enriched in disease-specific biological pathways and include regions annotated to multiple genes directly involved in the progression of Aβ and tau pathology (e.g. APP, PSEN1, PSEN2, MAPT), as well as genomic regions containing variants associated with sporadic late-onset AD. This is the first study of variable H3K27ac yet undertaken in AD and the largest study investigating this modification in the entorhinal cortex. In addition to identifying molecular pathways associated with AD neuropathology, we present a framework for genome-wide studies of histone modifications in complex disease, integrating our data with results obtained from genome-wide association studies as well as other epigenetic marks profiled on the same samples.

Summary Intracellular ion fluxes emerge as critical actors of immunoregulation but still remain poorly explored. Here we investigated the role of the redundant cation channels TMEM176A and TMEM176B (TMEM176A/B) in RORγt + cells and conventional dendritic cells (cDCs) using germline and conditional double knock-out (DKO) mice. While Tmem176a/b appeared surprisingly dispensable for the protective function of Th17 and group 3 innate lymphoid cells (ILC3s) in the intestinal mucosa, we found that they were required in cDCs for optimal antigen processing and presentation to CD4 + T cells. Using a real-time imaging method, we show that TMEM176A/B accumulate in dynamic post-Golgi vesicles preferentially linked to the late endolysosomal system and strongly colocalize with HLA-DM. Together, our results suggest that TMEM176A/B ion channels play a direct role in the MHC II compartment (MIIC) of DCs for the fine regulation of antigen presentation and naive CD4 + T cell priming.

ABSTRACT During development, cell differentiation is associated to large-scale modifications in the methylome, which require the engagement of an active DNA demethylation machinery including Ten-Eleven-Translocation enzymes for oxidation of 5-methylcytosine and the T:G mismatch DNA glycosylase (TDG) for removal of the oxidized bases. Despite this well-defined molecular function, the biological output of TDG activity remains elusive. Here we combined transcriptomic and epigenomic approaches in TDG knock-out embryonal carcinoma cells, an epiblast stem-like cell model, to decipher TDG function in pluripotent cells and their retinoic acid-induced differentiated progeny. We determined that TDG activity is balancing differentiation in favor of a neural fate at the expense of a cardiac mesoderm fate. This process is associated with a sustained activity of a large set of ATF4-dependent genes in relation with a TDG-mediated nucleosome positioning at promoters and in conjunction with a TDG- dependent regulation of the mammalian target of rapamycin complex 1. These observations highlight the central role of TDG in cell differentiation and support a model linking metabolic reprogramming to cell fate acquisition.

Alveolar macrophages (AMs) reside in the lower airways and play a crucial role in lung health and response to sterile inflammation and infections. AMs possess remarkable adaptability to different environmental challenges that can persist through their memory capacity (trained immunity). β-glucan has been characterized as a potent inducer of trained immunity by reprogramming hematopoietic stem cells (HSCs) in the bone marrow generating trained innate cells with enhanced responsiveness. In the present study, we show that systemic administration of β-glucan reprograms alveolar macrophages (AMs) in the lung via neutrophils and IFNγ signalling, in a Dectin1-independent manner. We furthermore demonstrate that AM reprogramming at both the transcriptional and metabolic levels exacerbate lung injury following bacterial (LPS) or viral (polyI:C) challenges. These findings identify an additional facet of β-glucan in trained immunity involving AM reprogramming and shed light on the potential detrimental effects of trained immunity.

ABSTRACT Single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) coupled with robust computational analysis facilitates the characterization of phenotypic heterogeneity within tumors. Current scRNA-seq analysis pipelines are capable of identifying a myriad of malignant and non-malignant cell subtypes from single-cell profiling of tumors. However, given the extent of intra-tumoral heterogeneity, it is challenging to assess the risk associated with individual malignant cell subpopulations, primarily due to the complexity of the cancer phenotype space and the lack of clinical annotations associated with tumor scRNA-seq studies. To this end, we introduce SCellBOW, a scRNA-seq analysis framework inspired by document embedding techniques from the domain of Natural Language Processing (NLP). SCellBOW is a novel computational approach that facilitates effective identification and high-quality visualization of single-cell subpopulations. We compared SCellBOW with existing best practice methods for its ability to precisely represent phenotypically divergent cell types across multiple scRNA-seq datasets, including our in-house generated human splenocyte and matched peripheral blood mononuclear cell (PBMC) dataset. For malignant cells, SCellBOW estimates the relative risk associated with each cluster and stratifies them based on their aggressiveness. This is achieved by simulating how the presence or absence of a specific malignant cell subpopulation influences disease prognosis. Using SCellBOW, we identified a hitherto unknown and pervasive AR−/NE low (androgen-receptor-negative, neuroendocrine-low) malignant subpopulation in metastatic prostate cancer with conspicuously high aggressiveness. Overall, the risk-stratification capabilities of SCellBOW hold promise for formulating tailored therapeutic interventions by identifying clinically relevant tumor subpopulations and their impact on prognosis.

Abstract Circulating immune cells are critical mediators of the response to inflammation upon recruitment to the tissue but how gene expression state influences recruitment is not well known. Here we report the longitudinal single-cell transcriptome profiling of blood mononuclear cells in patients undergoing kidney transplantation rejection. We identify a gene expression module which is associated to transcriptional regulation, homing and early activation in multiple cell types. The circulating cells expressing this module are reduced in patients undergoing graft rejection. This reduction was confirmed in a pig model of acute kidney transplantation rejection. In connection with this, the module expression drastically increased in the kidney grafts undergoing rejection indicating a preferential recruitment of cells highly expressing this module. We identify the receptor CXCR4 within the module and its ligand CXCL12 expressed in the graft as a likely recruitment mechanism between circulating cells and the tissue. We then explore publicly available transcriptomics data in circulating cells and show that this module is generally expressed in healthy individuals and more importantly is associated with the response to infection, including SARS Covid-19. Moreover, we find that module expression is predictive of immune mediated diseases. In summary, we find a gene expression module in circulating immune cells which enables preferential recruitment to inflamed tissues to mediate effector function.