Alzheimer’s disease is an incurable neurodegenerative disorder in which neuroinflammation has a critical function1. However, little is known about the contribution of the adaptive immune response in Alzheimer’s disease2. Here, using integrated analyses of multiple cohorts, we identify peripheral and central adaptive immune changes in Alzheimer’s disease. First, we performed mass cytometry of peripheral blood mononuclear cells and discovered an immune signature of Alzheimer’s disease that consists of increased numbers of CD8+ T effector memory CD45RA+ (TEMRA) cells. In a second cohort, we found that CD8+ TEMRA cells were negatively associated with cognition. Furthermore, single-cell RNA sequencing revealed that T cell receptor (TCR) signalling was enhanced in these cells. Notably, by using several strategies of single-cell TCR sequencing in a third cohort, we discovered clonally expanded CD8+ TEMRA cells in the cerebrospinal fluid of patients with Alzheimer’s disease. Finally, we used machine learning, cloning and peptide screens to demonstrate the specificity of clonally expanded TCRs in the cerebrospinal fluid of patients with Alzheimer’s disease to two separate Epstein–Barr virus antigens. These results reveal an adaptive immune response in the blood and cerebrospinal fluid in Alzheimer’s disease and provide evidence of clonal, antigen-experienced T cells patrolling the intrathecal space of brains affected by age-related neurodegeneration. An integrated analysis of several cohorts shows that clonal, antigen-experienced T cells are found in the cerebrospinal fluid of patients with Alzheimer’s disease, suggesting that the adaptive immune system has a role in age-related neurodegeneration.

The mammalian brain contains neurogenic niches that comprise neural stem cells and other cell types. Neurogenic niches become less functional with age, but how they change during ageing remains unclear. Here we perform single-cell RNA sequencing of young and old neurogenic niches in mice. The analysis of 14,685 single-cell transcriptomes reveals a decrease in activated neural stem cells, changes in endothelial cells and microglia, and an infiltration of T cells in old neurogenic niches. T cells in old brains are clonally expanded and are generally distinct from those in old blood, which suggests that they may experience specific antigens. T cells in old brains also express interferon-γ, and the subset of neural stem cells that has a high interferon response shows decreased proliferation in vivo. We find that T cells can inhibit the proliferation of neural stem cells in co-cultures and in vivo, in part by secreting interferon-γ. Our study reveals an interaction between T cells and neural stem cells in old brains, opening potential avenues through which to counteract age-related decline in brain function.

In this work, we find that CD8 + T cells expressing inhibitory killer cell immunoglobulin-like receptors (KIRs) are the human equivalent of Ly49 + CD8 + regulatory T cells in mice and are increased in the blood and inflamed tissues of patients with a variety of autoimmune diseases. Moreover, these CD8 + T cells efficiently eliminated pathogenic gliadin-specific CD4 + T cells from the leukocytes of celiac disease patients in vitro. We also find elevated levels of KIR + CD8 + T cells, but not CD4 + regulatory T cells, in COVID-19 patients, correlating with disease severity and vasculitis. Selective ablation of Ly49 + CD8 + T cells in virus-infected mice led to autoimmunity after infection. Our results indicate that in both species, these regulatory CD8 + T cells act specifically to suppress pathogenic T cells in autoimmune and infectious diseases.

Recent single-cell RNA sequencing studies have revealed distinct microglial states in development and disease. These include proliferative-region-associated microglia (PAMs) in developing white matter and disease-associated microglia (DAMs) prevalent in various neurodegenerative conditions. PAMs and DAMs share a similar core gene signature. However, the extent of the dynamism and plasticity of these microglial states, as well as their functional significance, remains elusive, partly due to the lack of specific tools. Here, we generated an inducible Cre driver line, Clec7a-CreER

Germline gain-of-function (GOF) variants in STAT3 cause an inborn error of immunity associated with early-onset poly-autoimmunity and immune dysregulation. To study tissue-specific immune dysregulation, we used a mouse model carrying a missense variant (p.G421R) that causes human disease. We observed spontaneous and imiquimod (IMQ)-induced skin inflammation associated with cell-intrinsic local Th17 responses in STAT3 GOF mice. CD4+ T cells were sufficient to drive skin inflammation and showed increased Il22 expression in expanded clones. Certain aspects of disease, including increased epidermal thickness, also required the presence of STAT3 GOF in epithelial cells. Treatment with a JAK inhibitor improved skin disease without affecting local Th17 recruitment and cytokine production. These findings collectively support the involvement of Th17 responses in the development of organ-specific immune dysregulation in STAT3 GOF and suggest that the presence of STAT3 GOF in tissues is important for disease and can be targeted with JAK inhibition.

98% of T cells reside in tissues, yet nearly all human T cell analyses are performed from peripheral blood. We single-cell sequenced 5.7 million T cells from ten donors' autologous blood and tonsils and sought to answer key questions about T cell receptor biology previously unanswerable by smaller-scale experiments. We identified distinct clonal expansions and distributions in blood compared to tonsils, with surprisingly low (1-7%) clonal sharing. These few shared clones exhibited divergent phenotypes across bodily sites. Analysis of antigen-specific CD8 T cells revealed location as a main determinant of frequency, phenotype, and immunodominance. Finally, diversity estimates from the tissue recalibrates current repertoire diversity estimates, and we provide a refined estimate of whole-body repertoire. Given the tissue-restricted nature of T cell phenotypes, functions, differentiation, and clonality revealed by this dataset, we conclude that tissue analyses are crucial for accurate repertoire analysis and monitoring changes after perturbing therapies.

Recent single-cell RNA sequencing studies have revealed distinct microglial states in development and disease. These include proliferative region-associated microglia (PAM) in developing white matter and disease-associated microglia (DAM) prevalent in various neurodegenerative conditions. PAM and DAM share a similar core gene signature and other functional properties. However, the extent of the dynamism and plasticity of these microglial states, as well as their functional significance, remains elusive, partly due to the lack of specific tools. Here, we report the generation of an inducible Cre driver line, Clec7a-CreERT2, designed to target PAM and DAM in the brain parenchyma. Utilizing this tool, we profile labeled cells during development and in several disease models, uncovering convergence and context-dependent differences in PAM/DAM gene expression. Through long-term tracking, we demonstrate surprising levels of plasticity in these microglial states. Lastly, we specifically depleted DAM in cuprizone-induced demyelination, revealing their roles in disease progression and recovery.

Previous reports show that Ly49 CD8 T cells can suppress autoimmunity in mouse models of autoimmune diseases. Here we find a markedly increased frequency of CD8 T cells expressing inhibitory Killer cell Immunoglobulin like Receptors (KIR), the human equivalent of the Ly49 family, in the blood and inflamed tissues of various autoimmune diseases. Moreover, KIR CD8 T cells can efficiently eliminate pathogenic gliadin-specific CD4 T cells from Celiac disease (CeD) patients' leukocytes . Furthermore, we observe elevated levels of KIR CD8 T cells, but not CD4 regulatory T cells, in COVID-19 and influenza-infected patients, and this correlates with disease severity and vasculitis in COVID-19. Expanded KIR CD8 T cells from these different diseases display shared phenotypes and similar T cell receptor sequences. These results characterize a regulatory CD8 T cell subset in humans, broadly active in both autoimmune and infectious diseases, which we hypothesize functions to control self-reactive or otherwise pathogenic T cells.