Abstract We elucidated the molecular cross-talk between cartilage and synovium in osteoarthritis, the most widespread arthritis in the world, using the powerful tool of single-cell RNA-sequencing. Multiple cell types were identified based on profiling of 10,640 synoviocytes and 26,192 chondrocytes: 12 distinct synovial cell types and 7 distinct articular chondrocyte phenotypes from matched tissues. Intact cartilage was enriched for homeostatic and hypertrophic chondrocytes, while damaged cartilage was enriched for prefibro- and fibro-, regulatory, reparative and prehypertrophic chondrocytes. A total of 61 cytokines and growth factors were predicted to regulate the 7 chondrocyte cell phenotypes. Based on production by > 1% of cells, 55% of the cytokines were produced by synovial cells (39% exclusive to synoviocytes and not expressed by chondrocytes) and their presence in osteoarthritic synovial fluid confirmed. The synoviocytes producing IL-1beta (a classic pathogenic cytokine in osteoarthritis), mainly inflammatory macrophages and dendritic cells, were characterized by co-expression of surface proteins corresponding to HLA-DQA1 , HLA-DQA2 , OLR1 or TLR2 . Strategies to deplete these pathogenic intra-articular cell subpopulations could be a therapeutic option for human osteoarthritis.

Summary Genes associated with increased susceptibility to multiple sclerosis (MS) have been identified, but their functions are incompletely understood. One of these genes codes for the RNA helicase DExD/H-Box Polypeptide 39B (DDX39B), which shows genetic and functional epistasis with interleukin-7 receptor-α gene ( IL7R ) in MS-risk. Based on evolutionary and functional arguments we postulated that DDX39B enhances immune tolerance decreasing MS risk. Consistent with such a role we show that DDX39B controls the expression of many MS susceptibility genes and important immune-related genes. Among these we identified ForkheadBox P3 ( FOXP3 ), which codes for the master transcriptional factor in CD4 + /CD25 + T regulatory cells. DDX39B knockdown led to loss of immune-regulatory and gain of immune-effector expression signatures. Splicing of FOXP3 introns, which belong to a previously unrecognized subclass of introns with C-rich polypyrimidine tracts, was exquisitely sensitive to DDX39B levels. Given the importance of FOXP3 in autoimmunity, this work cements DDX39B as an important guardian of immune tolerance.

Abstract Immune checkpoint inhibitors (ICI) have revolutionized treatment for various cancers; however, durable response is limited to only a subset of patients. Discovery of blood-based biomarkers that reflect dynamic change of the tumor microenvironment, and predict response to ICI will markedly improve current treatment regimens. Here, we investigated a role of CX3C chemokine receptor 1 (CX3CR1), a marker of T-cell differentiation, in predicting response to ICI therapy. Successful treatment of tumor-bearing mice with ICI increased the frequency and T-cell receptor clonality of the peripheral CX3CR1 + CD8 + T-cell subset that included an enriched repertoire of tumor-specific and tumor-infiltrating CD8 + T cells. Furthermore, an increase in the frequency of the CX3CR1 + subset in circulating CD8 + T cells early after initiation of anti-PD-1 therapy correlated with response and survival in patients with non-small cell lung cancer (NSCLC). Taken together, these data support T-cell CX3CR1 expression as a blood-based dynamic biomarker to predict response to ICI therapy.

UBE2N, a Lys63-ubiquitin conjugating enzyme, plays critical roles in embryogenesis and immune system development and function. However, its roles in adult epithelial tissue homeostasis and pathogenesis are unclear. We generated conditional mouse models that deleted Ube2n in skin cells in a temporally and spatially controlled manner. We found that Ube2n-knockout (KO) in the adult skin keratinocytes induced a range of inflammatory skin defects characteristic of psoriatic and actinic keratosis. These included eczematous inflammation, epidermal and dermal thickening, parakeratosis, and increased immune cell infiltration, as well as signs of edema and blistering. Single cell transcriptomic analyses and RT-qPCR showed that Ube2n KO keratinocytes expressed elevated myeloid cell chemo-attractants such as Cxcl1 and Cxcl2 and decreased the homeostatic T lymphocyte chemo-attractant, Ccl27a. Consistently, the infiltrating immune cells of Ube2n-KO skin were predominantly myeloid-derived cells including neutrophils and M1-like macrophages that were highly inflammatory, as indicated by expression of Il1β and Il24. Pharmacological blockade of the IL-1 receptor associated kinases (IRAK1/4) alleviated eczema, epidermal and dermal thickening, and immune infiltration of the Ube2n mutant skin. Together, these findings highlight a key role of keratinocyte-UBE2N in maintenance of epidermal homeostasis and skin immunity and identify IRAK1/4 as potential therapeutic target for inflammatory skin disorders.

Kaposis sarcoma (KS) is an AIDS-defining cancer caused by the KS-associated herpesvirus (KSHV). Unanswered questions regarding KS are its cellular ontology and the conditions conducive to viral oncogenesis. We identify PDGFRA(+)/SCA-1(+) bone marrow-derived mesenchymal stem cells (Pα(+)S MSCs) as KS spindle-cell progenitors and found that pro-angiogenic environmental conditions typical of KS are critical for KSHV sarcomagenesis. This is because growth in KS-like conditions generates a de-repressed KSHV epigenome allowing oncogenic KSHV gene expression in infected Pα(+)S MSCs. Furthermore, these growth conditions allow KSHV-infected Pα(+)S MSCs to overcome KSHV-driven oncogene-induced senescence and cell cycle arrest via a PDGFRA-signaling mechanism; thus identifying PDGFRA not only as a phenotypic determinant for KS-progenitors but also as a critical enabler for viral oncogenesis.

Severe asthma is chronic airway disease, exhibit poor response to conventional asthma therapies. Growing evidence suggests that elevated hypoxia increases the severity of asthmatic inflammation among patient and model systems. In this study, we elucidate the therapeutic effect and mechanistic basis of Adhatoda Vasica (AV) aqueous extract on acute allergic as well as severe asthma subtypes, at physiological, histopathological and molecular levels using mouse models. We observed, oral administration of AV extract not only attenuates the increased airway resistance and inflammation in acute allergic asthmatic mice but also alleviates the molecular signatures of steroid (dexamethasone) resistance like IL-17A, KC and HIF-1α (hypoxia inducible factor-1alpha) in severe asthmatic mice. The reversal of pathophysiological features after AV treatment is associated with inhibition of elevated HIF-1α levels by restoring the expression of its negative regulator-PHD2 (prolyl hydroxylase domain-2). This was further confirmed in acute and severe asthma model developed by augmented hypoxic response. Further, AV treatment reverses cellular hypoxia- induced mitochondrial dysfunction in human bronchial epithelial cells - evident from bioenergetic profiles and morphological analysis of mitochondria. Involvement of hypoxia and mitochondrial dysfunction in asthma severity is being increasingly realised. Extract of AV although widely used in Ayurveda practice for the treatment of diverse respiratory ailments, including asthma, its molecular basis of action and effect on severe asthma subtype is still unclear. This study, demonstrates therapeutic mechanism of Adhatoda Vasica through hypoxia-induced mitochondrial dysfunction and highlights its potential in the treatment of severe steroid-resistant asthma.

Abstract Gangliogliomas are brain tumors composed of neuron-like and macroglia-like components that occur in children and young adults. Gangliogliomas are often characterized by a rare population of immature astrocyte-appearing cells expressing CD34, a marker expressed in the neuroectoderm (neural precursor cells) during embryogenesis. New insights are needed to refine tumor classification and to identify therapeutic approaches. We evaluated five gangliogliomas with single nucleus RNA-seq, cellular indexing of transcriptomes and epitopes by sequencing, and/or spatially-resolved RNA-seq. We uncovered a population of CD34+ neoplastic cells with mixed neuroectodermal, immature astrocyte, and neuronal markers. Gene regulatory network interrogation in these neuroectoderm-like cells revealed control of transcriptional programming by TCF7L2/MEIS1-PAX6 and SOX2, similar to that found during neuroectodermal/neural development. Developmental trajectory analyses place neuroectoderm-like tumor cells as precursor cells that give rise to neuron-like and macroglia-like neoplastic cells. Spatially-resolved transcriptomics revealed a neuroectoderm-like tumor cell niche with relative lack of vascular and immune cells. We used these high resolution results to deconvolute clinically-annotated transcriptomic data, confirming that CD34+ cell-associated gene programs associate with gangliogliomas compared to other glial brain tumors. Together, these deep transcriptomic approaches characterized a ganglioglioma cellular hierarchy - confirming CD34+ neuroectoderm-like tumor precursor cells, controlling transcription programs, cell signaling, and associated immune cell states. These findings may guide tumor classification, diagnosis, prognostication, and therapeutic investigations.

Abstract Memory T and B lymphocyte numbers are thought to be regulated by recent and cumulative microbial exposures. We report here that memory-phenotype lymphocyte frequencies in B, CD4 and CD8 T-cells in 3-monthly serial bleeds from healthy young adult humans were relatively stable over a 1-year period, while recently activated -B and -CD4 T cell frequencies were not, suggesting that recent environmental exposures affected steady state levels of recently activated but not of memory lymphocyte subsets. Frequencies of memory B and CD4 T cells were not correlated, suggesting that variation in them was unlikely to be determined by cumulative antigenic exposures. Immunophenotyping of adult siblings showed high concordance in memory, but not of recently activated lymphocyte subsets, suggesting genetic regulation of memory lymphocyte frequencies. To explore this possibility further, we screened effector memory (EM)-phenotype T cell frequencies in common independent inbred mice strains. Using two pairs from these strains that differed predominantly in either CD4EM and/or CD8EM frequencies, we constructed bi-parental bone marrow chimeras in F1 recipient mice, and found that memory T cell frequencies in recipient mice were determined by donor genotypes. Together, these data suggest cell-autonomous determination of memory T niche size, and suggest mechanisms maintaining immune variability.

Abstract We propose a new model for the association of chromatin state and sex-bias in expression. We hypothesize enrichment of open chromatin in the sex where we see expression bias (OS) and closed chromatin in the opposite sex (CO). In this study of D. melanogaster and D. simulans head tissue, sex-bias in expression is associated with H3K4me3 (open mark) in males for male-biased genes and in females for female-biased genes in both species. Sex-bias in expression is also largely conserved in direction and magnitude between the two species on the X and autosomes. In male-biased orthologs, the sex-bias ratio is more divergent between species if both species have H3K27me2me3 marks in females compared to when either or neither species has H3K27me2me3 in females. H3K27me2me3 marks in females are associated with male-bias in expression on the autosomes in both species, but on the X only in D. melanogaster . In female-biased orthologs the relationship between the species for the sex-bias ratio is similar regardless of the H3K27me2me3 marks in males. Female-biased orthologs are more similar in the ratio of sex-bias than male-biased orthologs and there is an excess of male-bias in expression in orthologs that gain/lose sex-bias. There is an excess of male-bias in sex-limited expression in both species suggesting excess male-bias is due to rapid evolution between the species. The X chromosome has an enrichment in male-limited H3K4me3 in both species and an enrichment of sex-bias in expression compared to the autosomes.

Abstract Therapeutic resistance to immune checkpoint blockade has been commonly linked to the process of mesenchymal transformation (MT) and remains a prevalent obstacle across many cancer types. An improved mechanistic understanding for MT-mediated immune evasion promises to lead to more effective combination therapeutic regimens. Herein, we identify the Hedgehog transcription factor, Gli2, as a key node of tumor-mediated immune evasion and immunotherapy resistance during MT. Mechanistic studies reveal that Gli2 generates an immunotolerant tumor microenvironment through the upregulation of Wnt ligand production and increased prostaglandin synthesis. This pathway drives the recruitment, viability, and function of granulocytic myeloid-derived suppressor cells (PMN-MDSCs) while also impairing type I conventional dendritic cell, CD8 + T cell, and NK cell functionality. Pharmacologic EP2/EP4 prostaglandin receptor inhibition and Wnt ligand inhibition each reverses a subset of these effects, while preventing primary and adaptive resistance to anti-PD-1 immunotherapy, respectively. A transcriptional Gli2 signature correlates with resistance to anti-PD-1 immunotherapy in stage IV melanoma patients, providing a translational roadmap to direct combination immunotherapeutics in the clinic. SIGNIFICANCE Gli2-induced EMT promotes immune evasion and immunotherapeutic resistance via coordinated prostaglandin and Wnt signaling.