In humans, the monocyte pool comprises three subsets (classical, intermediate, and nonclassical) that circulate in dynamic equilibrium. The kinetics underlying their generation, differentiation, and disappearance are critical to understanding both steady-state homeostasis and inflammatory responses. Here, using human in vivo deuterium labeling, we demonstrate that classical monocytes emerge first from marrow, after a postmitotic interval of 1.6 d, and circulate for a day. Subsequent labeling of intermediate and nonclassical monocytes is consistent with a model of sequential transition. Intermediate and nonclassical monocytes have longer circulating lifespans (∼4 and ∼7 d, respectively). In a human experimental endotoxemia model, a transient but profound monocytopenia was observed; restoration of circulating monocytes was achieved by the early release of classical monocytes from bone marrow. The sequence of repopulation recapitulated the order of maturation in healthy homeostasis. This developmental relationship between monocyte subsets was verified by fate mapping grafted human classical monocytes into humanized mice, which were able to differentiate sequentially into intermediate and nonclassical cells.

Dendritic cell (DC)-mediated cross-presentation of exogenous antigens acquired in the periphery is critical for the initiation of CD8+ T cell responses. Several DC subsets are described in human tissues but migratory cross-presenting DCs have not been isolated, despite their potential importance in immunity to pathogens, vaccines, and tumors and tolerance to self. Here, we identified a CD141hi DC present in human interstitial dermis, liver, and lung that was distinct from the majority of CD1c+ and CD14+ tissue DCs and superior at cross-presenting soluble antigens. Cutaneous CD141hi DCs were closely related to blood CD141+ DCs, and migratory counterparts were found among skin-draining lymph node DCs. Comparative transcriptomic analysis with mouse showed tissue DC subsets to be conserved between species and permitted close alignment of human and mouse DC subsets. These studies inform the rational design of targeted immunotherapies and facilitate translation of mouse functional DC biology to the human setting.

The genetic analysis of human primary immunodeficiencies has defined the contribution of specific cell populations and molecular pathways in the host defense against infection. Disseminated infection caused by bacille Calmette–Guérin (BCG) vaccines is an early manifestation of primary immunodeficiencies, such as severe combined immunodeficiency. In many affected persons, the cause of disseminated BCG disease is unexplained.

Abstract The human syndrome of dendritic cell, monocyte, B and natural killer lymphoid deficiency presents as a sporadic or autosomal dominant trait causing susceptibility to mycobacterial and other infections, predisposition to myelodysplasia and leukemia, and, in some cases, pulmonary alveolar proteinosis. Seeking a genetic cause, we sequenced the exomes of 4 unrelated persons, 3 with sporadic disease, looking for novel, heterozygous, and probably deleterious variants. A number of genes harbored novel variants in person, but only one gene, GATA2, was mutated in all 4 persons. Each person harbored a different mutation, but all were predicted to be highly deleterious and to cause loss or mutation of the C-terminal zinc finger domain. Because GATA2 is the only common mutated gene in 4 unrelated persons, it is highly probable to be the cause of dendritic cell, monocyte, B, and natural killer lymphoid deficiency. This disorder therefore constitutes a new genetic form of heritable immunodeficiency and leukemic transformation.

Langerhans cell histiocytosis (LCH) is a clonal disorder with elusive etiology, characterized by the accumulation of CD207(+) dendritic cells (DCs) in inflammatory lesions. Recurrent BRAF-V600E mutations have been reported in LCH. In this study, lesions from 100 patients were genotyped, and 64% carried the BRAF-V600E mutation within infiltrating CD207(+) DCs. BRAF-V600E expression in tissue DCs did not define specific clinical risk groups but was associated with increased risk of recurrence. Strikingly, we found that patients with active, high-risk LCH also carried BRAF-V600E in circulating CD11c(+) and CD14(+) fractions and in bone marrow (BM) CD34(+) hematopoietic cell progenitors, whereas the mutation was restricted to lesional CD207(+) DC in low-risk LCH patients. Importantly, BRAF-V600E expression in DCs was sufficient to drive LCH-like disease in mice. Consistent with our findings in humans, expression of BRAF-V600E in BM DC progenitors recapitulated many features of the human high-risk LCH, whereas BRAF-V600E expression in differentiated DCs more closely resembled low-risk LCH. We therefore propose classification of LCH as a myeloid neoplasia and hypothesize that high-risk LCH arises from somatic mutation of a hematopoietic progenitor, whereas low-risk disease arises from somatic mutation of tissue-restricted precursor DCs.

Congenital or acquired cellular deficiencies in humans have the potential to reveal much about normal hematopoiesis and immune function. We show that a recently described syndrome of monocytopenia, B and NK lymphoid deficiency additionally includes the near absence of dendritic cells. Four subjects showed severe depletion of the peripheral blood HLA-DR+ lineage− compartment, with virtually no CD123+ or CD11c+ dendritic cells (DCs) and very few CD14+ or CD16+ monocytes. The only remaining HLA-DR+ lineage− cells were circulating CD34+ progenitor cells. Dermal CD14+ and CD1a+ DC were also absent, consistent with their dependence on blood-derived precursors. In contrast, epidermal Langerhans cells and tissue macrophages were largely preserved. Combined loss of peripheral DCs, monocytes, and B and NK lymphocytes was mirrored in the bone marrow by complete absence of multilymphoid progenitors and depletion of granulocyte-macrophage progenitors. Depletion of the HLA-DR+ peripheral blood compartment was associated with elevated serum fms-like tyrosine kinase ligand and reduced circulating CD4+CD25hiFoxP3+ T cells, supporting a role for DC in T reg cell homeostasis.

Dendritic cells (DCs), monocytes, and macrophages are leukocytes with critical roles in immunity and tolerance. The DC network is evolutionarily conserved; the homologs of human tissue CD141hiXCR1+CLEC9A+ DCs and CD1c+ DCs are murine CD103+ DCs and CD64−CD11b+ DCs. In addition, human tissues also contain CD14+ cells, currently designated as DCs, with an as-yet unknown murine counterpart. Here we have demonstrated that human dermal CD14+ cells are a tissue-resident population of monocyte-derived macrophages with a short half-life of <6 days. The decline and reconstitution kinetics of human blood CD14+ monocytes and dermal CD14+ cells in vivo supported their precursor-progeny relationship. The murine homologs of human dermal CD14+ cells are CD11b+CD64+ monocyte-derived macrophages. Human and mouse monocytes and macrophages were defined by highly conserved gene transcripts, which were distinct from DCs. The demonstration of monocyte-derived macrophages in the steady state in human tissue supports a conserved organization of human and mouse mononuclear phagocyte system.

The fusion gene MLL/AF4 defines a high-risk subtype of pro-B acute lymphoblastic leukemia. Relapse can be associated with a lineage switch from acute lymphoblastic to acute myeloid leukemia, resulting in poor clinical outcomes caused by resistance to chemotherapies and immunotherapies. In this study, the myeloid relapses shared oncogene fusion breakpoints with their matched lymphoid presentations and originated from various differentiation stages from immature progenitors through to committed B-cell precursors. Lineage switching is linked to substantial changes in chromatin accessibility and rewiring of transcriptional programs, including alternative splicing. These findings indicate that the execution and maintenance of lymphoid lineage differentiation is impaired. The relapsed myeloid phenotype is recurrently associated with the altered expression, splicing, or mutation of chromatin modifiers, including CHD4 coding for the ATPase/helicase of the nucleosome remodelling and deacetylation complex. Perturbation of CHD4 alone or in combination with other mutated epigenetic modifiers induces myeloid gene expression in MLL/AF4+ cell models, indicating that lineage switching in MLL/AF4 leukemia is driven and maintained by disrupted epigenetic regulation.