Summary

 The intestinal mucosal barrier controlling the resident microbiome is dependent on a protective mucus layer generated by goblet cells, impairment of which is a hallmark of the inflammatory bowel disease, ulcerative colitis. Here, we show that IL-18 is critical in driving the pathologic breakdown of barrier integrity in a model of colitis. Deletion of Il18 or its receptor Il18r1 in intestinal epithelial cells (Δ/EC) conferred protection from colitis and mucosal damage in mice. In contrast, deletion of the IL-18 negative regulator Il18bp resulted in severe colitis associated with loss of mature goblet cells. Colitis and goblet cell loss were rescued in Il18bp^−/−;Il18r^Δ/EC mice, demonstrating that colitis severity is controlled at the level of IL-18 signaling in intestinal epithelial cells. IL-18 inhibited goblet cell maturation by regulating the transcriptional program instructing goblet cell development. These results inform on the mechanism of goblet cell dysfunction that underlies the pathology of ulcerative colitis.

Direct recognition of invading pathogens by innate immune cells is a critical driver of the inflammatory response. However, cells of the innate immune system can also sense their local microenvironment and respond to physiological fluctuations in temperature, pH, oxygen and nutrient availability, which are altered during inflammation. Although cells of the immune system experience force and pressure throughout their life cycle, little is known about how these mechanical processes regulate the immune response. Here we show that cyclical hydrostatic pressure, similar to that experienced by immune cells in the lung, initiates an inflammatory response via the mechanically activated ion channel PIEZO1. Mice lacking PIEZO1 in innate immune cells showed ablated pulmonary inflammation in the context of bacterial infection or fibrotic autoinflammation. Our results reveal an environmental sensory axis that stimulates innate immune cells to mount an inflammatory response, and demonstrate a physiological role for PIEZO1 and mechanosensation in immunity.

The nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor (Nlrp) 6 maintains gut microbiota homeostasis and regulates antibacterial immunity. We now report a role for Nlrp6 in the control of enteric virus infection. Nlrp6(-/-) and control mice systemically challenged with encephalomyocarditis virus had similar mortality; however, the gastrointestinal tract of Nlrp6(-/-) mice exhibited increased viral loads. Nlrp6(-/-) mice orally infected with encephalomyocarditis virus had increased mortality and viremia compared with controls. Similar results were observed with murine norovirus 1. Nlrp6 bound viral RNA via the RNA helicase Dhx15 and interacted with mitochondrial antiviral signaling protein to induce type I/III interferons (IFNs) and IFN-stimulated genes (ISGs). These data demonstrate that Nlrp6 functions with Dhx15 as a viral RNA sensor to induce ISGs, and this effect is especially important in the intestinal tract.

Psoriasis pathology is driven by the type 3 cytokines IL-17 and Il-22, but little is understood about the dynamics that initiate alterations in tissue homeostasis. Here, we use mouse models, single-cell RNA-seq (scRNA-seq), computational inference and cell lineage mapping to show that psoriasis induction reconfigures the functionality of skin-resident ILCs to initiate disease. Tissue-resident ILCs amplified an initial IL-23 trigger and were sufficient, without circulatory ILCs, to drive pathology, indicating that ILC tissue remodeling initiates psoriasis. Skin ILCs expressed type 2 cytokines IL-5 and IL-13 in steady state, but were epigenetically poised to become ILC3-like cells. ScRNA-seq profiles of ILCs from psoriatic and naïve skin of wild type (WT) and Rag1 -/- mice form a dense continuum, consistent with this model of fluid ILC states. We inferred biological “topics” underlying these states and their relative importance in each cell with a generative model of latent Dirichlet allocation, showing that ILCs from untreated skin span a spectrum of states, including a naïve/quiescent-like state and one expressing the Cd74 and Il13 but little Il5 . Upon disease induction, this spectrum shifts, giving rise to a greater proportion of classical Il5- and Il13- expressing “ILC2s” and a new, mixed ILC2/ILC3-like subset, expressing Il13, Il17, and Il22 . Using these key topics, we related the cells through transitions, revealing a quiescence-ILC2-ILC3s state trajectory. We demonstrated this plasticity in vivo , combining an IL-5 fate mouse with IL-17A and IL-22 reporters, validating the transition of IL-5–producing ILC2s to IL-22– and IL-17A–producing cells during disease initiation. Thus, steady-state skin ILCs are actively repressed and cued for a plastic, type 2 response, which, upon induction, morphs into a type 3 response that drives psoriasis. This suggests a general model where specific immune activities are primed in healthy tissue, dynamically adapt to provocations, and left unchecked, drive pathological remodeling.

Abstract Traditional cell clustering analysis used to compare the transcriptomic landscapes between two biological states in single cell RNA sequencing (scRNA-seq) is largely inadequate to functionally identify distinct and important differentially abundant (DA) subpopulations between groups. This problem is exacerbated further when using unsupervised clustering approaches where differences are not observed in clear cluster structure and therefore many important differences between two biological states go entirely unseen. Here, we develop DA-seq, a powerful unbiased, multi-scale algorithm that uniquely detects and decodes novel DA subpopulations not restricted to well separated clusters or known cell types. We apply DA-seq to several publicly available scRNA-seq datasets on various biological systems to detect differences between distinct phenotype in COVID-19 cases, melanomas subjected to immune checkpoint therapy, embryonic development and aging brain, as well as simulated data. Importantly, we find that DA-seq not only recovers the DA cell types as discovered in the original studies, but also reveals new DA subpopulations that were not described before. Analysis of these novel subpopulations yields new biological insights that would otherwise be neglected.

Abstract Mice with a functional human immune system serve as an invaluable tool to study the development and function of human immune system in vivo. A major technological limitation of all current humanized mouse models is the lack of mature and functional human neutrophils in circulation and tissues. To overcome this, we generated a humanized mouse model named MISTRGGR, in which the mouse granulocyte colony stimulating factor (G-CSF) was replaced with human G-CSF and the mouse G-CSF receptor gene was deleted (G-CSFR) in existing MISTRG mice. By targeting the GCSF cytokine-receptor axis, we dramatically improved the reconstitution of mature circulating and tissue-infiltrating human neutrophils in MISTRGGR mice. Moreover, these functional human neutrophils in MISTRGGR are recruited upon inflammatory and infectious challenges and help reduce bacterial burden. MISTRGGR mice represent a unique mouse model that finally permits the study of human neutrophils in health and disease. Key Points Targeting the GCSF cytokine-receptor axis dramatically improves circulating and tissue-infiltrating human neutrophils in MISTRGGR mice. Human neutrophils generated in MISTRGGR mice are functional and are able to respond robustly to inflammatory and infectious stimuli.

ABSTRACT Our knowledge about the meningeal immune system has recently burgeoned, particularly our understanding of how innate and adaptive effector cells are mobilized to meet brain challenges. However, information on how meningeal immunocytes guard brain homeostasis in healthy individuals remains sparse. This study highlights the heterogeneous and polyfunctional regulatory-T (Treg) cell compartment in the meninges. A Treg subtype specialized in controlling Th1-cell responses and another known to control responses in B-cell follicles were substantial components of this compartment, foretelling that punctual Treg-cell ablation rapidly unleashed interferon-gamma production by meningeal lymphocytes, unlocked their access to the brain parenchyma, and altered meningeal B-cell profiles. Distally, the hippocampus assumed a reactive state, with morphological and transcriptional changes in multiple glial-cell types; within the dentate gyrus, neural stem cells showed exacerbated death and desisted from further differentiation, associated with inhibition of spatial-reference memory. Thus, meningeal Treg cells are a multifaceted bulwark to brain homeostasis at steady-state. One sentence summary A distinct population of regulatory T cells in the murine meninges safeguards homeostasis by keeping local interferon-γ-producing lymphocytes in check, thereby preventing their invasion of the parenchyma, activation of hippocampal glial cells, death of neural stem cells, and memory decay.