Abstract Neutrophils are implicated in multiple homeostatic and pathological processes, but whether functional diversity requires discrete neutrophil subsets is not known. Here, we apply single-cell RNA sequencing to neutrophils from normal and inflamed mouse tissues. Whereas conventional clustering yields multiple alternative organizational structures, diffusion mapping plus RNA velocity discloses a single developmental spectrum, ordered chronologically. Termed here neutrotime, this spectrum extends from immature pre-neutrophils, largely in bone marrow, to mature neutrophils predominantly in blood and spleen. The sharpest increments in neutrotime occur during the transitions from pre-neutrophils to immature neutrophils and from mature marrow neutrophils to those in blood. Human neutrophils exhibit a similar transcriptomic pattern. Neutrophils migrating into inflamed mouse lung, peritoneum and joint maintain the core mature neutrotime signature together with new transcriptional activity that varies with site and stimulus. Together, these data identify a single developmental spectrum as the dominant organizational theme of neutrophil heterogeneity.

Abstract Mucosal-associated invariant T (MAIT) cells are a subpopulation of T lymphocytes that respond to microbial metabolites. We performed single-cell RNA sequencing and metabolic analyses of MAIT cell subsets in thymus and peripheral tissues from mice and humans to define the heterogeneity and developmental pathway of these innate-like lymphocytes. We show that the predominant mouse subset, which produces IL-17 (MAIT17), and the subset that produces IFNγ (MAIT1), have greatly different transcriptomes and metabolic states in the thymus and periphery. A splenic MAIT subset has a transcriptome similar to circulating lymphocytes, and in mice these also are found in recent thymic emigrants, suggesting partially mature cells emigrate from the thymus. Human MAIT cells are predominantly MAIT1 cells, but have a different metabolism from their mouse counterparts with increased fatty acid uptake and storage. Although mouse and human subsets are similar in thymus, in the periphery they diverge, likely reflecting environmental influences.

Summary Innate-like T cells, including invariant natural killer T (iNKT) cells, mucosal-associated invariant T (MAIT) cells and γδ T cells, are present in various barrier tissues, including the lung. They carry out protective responses during infections, but the mechanisms for protection are not completely understood. Here, we investigated their roles during pulmonary infection with Streptococcus pneumoniae . Following infection, innate-like T cells rapidly increased in lung tissue, in part through recruitment, but TCR activation and cytokine production occurred mostly in IL-17-producing NKT17 and γδ T cells. NKT17 cells were preferentially located outside the vasculature prior to infection, as were CD103 + dendritic cells (cDC1), which were important both for antigen presentation to NKT17 cells and γδ T cell activation. Whereas IL-17A-producing γδ T cells also were numerous, GM-CSF was exclusive to NKT17 cells and contributed to iNKT cell-mediated protection. These studies demonstrate how particular cellular interactions and responses of functional subsets of innate-like T cells contribute to protection from pathogenic lung infection.

Abstract Invariant natural killer T cells (iNKT cells) differentiate into thymic and peripheral NKT1, NKT2 and NKT17 subsets. We determined if the gene programs associated with these thymic subsets were maintained in peripheral sites, the influence of tissue location, and if there were large-scale changes after antigen exposure. RNA-seq and ATAC-seq analyses showed that iNKT cells in any subset were similar, regardless of tissue location. Lung iNKT cell subsets possessed the most distinct location-specific features, shared with other innate lymphocytes in the lung, possibly consistent with increased activation. After antigenic stimulation, iNKT cells underwent chromatin and transcription changes leading to two populations: one similar to follicular helper T cells and the other like NK or effector cells. Phenotypic analysis indicated these changes were observed long-term, suggesting that iNKT cells gene programs are not fixed, but they are capable of chromatin remodeling after antigen to give rise to several new subsets.