Non-lymphoid tissues (NLTs) harbor a pool of adaptive immune cells with largely unexplored phenotype and development. We used single-cell RNA-seq to characterize 35,000 CD4+ regulatory (Treg) and memory (Tmem) T cells in mouse skin and colon, their respective draining lymph nodes (LNs) and spleen. In these tissues, we identified Treg cell subpopulations with distinct degrees of NLT phenotype. Subpopulation pseudotime ordering and gene kinetics were consistent in recruitment to skin and colon, yet the initial NLT-priming in LNs and the final stages of NLT functional adaptation reflected tissue-specific differences. Predicted kinetics were recapitulated using an in vivo melanoma-induction model, validating key regulators and receptors. Finally, we profiled human blood and NLT Treg and Tmem cells, and identified cross-mammalian conserved tissue signatures. In summary, we describe the relationship between Treg cell heterogeneity and recruitment to NLTs through the combined use of computational prediction and in vivo validation.

ABSTRACT Disease-specific plasma cells (PCs) reactive with transglutaminase 2 (TG2) or deamidated gluten peptides (DGP) are abundant in celiac disease (CeD) gut lesions. Their contribution toward CeD pathogenesis is unclear. We assessed expression of markers associated with PC longevity in 15 untreated and 26 treated CeD patients in addition to 13 non-CeD controls, and performed RNA-sequencing with clonal inference and transcriptomic analysis of 3251 single PCs. We observed antigen-dependent V-gene selection and stereotypic antibodies. Generation of recombinant DGP-specific antibodies revealed a key role of a heavy-chain residue that displays polymorphism, suggesting that immunoglobulin gene polymorphisms may influence CeD-specific antibody responses. We identified transcriptional differences between CeD-specific vs non-disease-specific PCs and between short-lived vs long-lived PCs. The short-lived CD19 + CD45 + phenotype dominated in untreated and short-term-treated CeD, in particular among disease-specific PCs but also in the general PC population. Thus, the disease lesion of untreated CeD is characterized by massive accumulation of short-lived PCs that are not only directed against disease-specific antigens.

Abstract Clonally related B cells infiltrate the brain, meninges and cerebrospinal fluid (CSF) of multiple sclerosis (MS) patients, but the mechanisms driving the B-cell response and shaping the immunoglobulin repertoires remain unclear. Here, we used single-cell full-length RNA-seq and B-cell receptor reconstruction to simultaneously assess the phenotypes, isotypes, constant region polymorphisms, and the paired heavy- and light-chain repertoires in intrathecal B-lineage cells. We detected extensive clonal connections between the memory B cell and antibody-secreting cell (ASC) compartments and observed clonally related cells of different isotypes, including IgM/IgG1, IgG1/IgA1, IgG1/IgG2, and IgM/IgA1. There was a strong dominance of the G1m1 allotype constant region polymorphisms in ASCs, but not in memory B cells. Tightly linked to the G1m1 allotype, we found a preferential pairing of the IGHV4 gene family with the κ variable (IGKV)1 gene family. These results link IgG constant region polymorphisms to stereotyped B-cell responses in MS, indicating that the intrathecal B-cell response in these patients could be directed against structurally similar epitopes. The data also suggest that the dominance of the G1m1 allotype in ASCs may occur as a result of biased differentiation of intrathecal memory B cells.

Non-lymphoid tissues (NLTs) harbour a pool of adaptive immune cells, the development and phenotype of which remains largely unexplored. Here, we used single-cell RNA-seq to characterise CD4+ regulatory (Treg) and memory (Tmem) T cells in mouse skin and colon, the respective draining lymph nodes and spleen. From this data, we modelled a continuous lymphoid-to-NLT trajectory for Treg, and reconstructed the mechanisms of cell migration and NLT adaption. This revealed a shared transcriptional programme of NLT priming in both skin and colon-associated lymph nodes, followed by tissue-specific adaptation. Predicted migration kinetics were validated using a melanoma-induction model, emphasizing the relevance of key regulators and receptors, including Batf, Rora, Ccr8, Samsn1. Finally, we profiled human blood and NLT Treg and Tmem cells, identifying cross-mammalian conserved tissue signatures. In summary, we have identified molecular signals mediating NLT Treg recruitment and tissue adaptation through the combined use of computational prediction and in vivo validation.

Analysis of antibody repertoires by high throughput sequencing is of major importance in understanding adaptive immune responses. Our knowledge of variations in the genomic loci encoding antibody genes is incomplete, mostly due to technical difficulties in aligning short reads to these highly repetitive loci. The partial knowledge results in conflicting V-D-J gene assignments between different algorithms, and biased genotype and haplotype inference. Previous studies have shown that haplotypes can be inferred by taking advantage of IGHJ6 heterozygosity, observed in approximately one third of the population. Here, we propose a robust novel method for determining V-D-J haplotypes by adapting a Bayesian framework. Our method extends haplotype inference to IGHD- and IGHV -based analysis, thereby enabling inference of complex genetic events like deletions and copy number variations in the entire population. We generated the largest multi individual data set, to date, of naïve B-cell repertoires, and tested our method on it. We present evidence for allele usage bias, as well as a mosaic, tiled pattern of deleted and present IGHD and IGHV nearby genes, across the population. The inferred haplotypes and deletion patterns may have clinical implications for genetic predispositions to diseases. Our findings greatly expand the knowledge that can be extracted from antibody repertoire sequencing data.

Germline variations in immunoglobulin genes influence the repertoire of B cell receptors and antibodies, and such polymorphisms may impact disease susceptibility. However, the knowledge of the genomic variation of the immunoglobulin loci is scarce. Here, we report 25 novel germline IGHV alleles as inferred from rearranged naive B cell cDNA repertoires of 98 individuals. Thirteen novel alleles were selected for validation, out of which ten were successfully confirmed by targeted amplification and Sanger sequencing of non-B cell DNA. Moreover, we detected a high degree of variability upstream of the V-region in the 5'UTR, leader 1, and leader 2 sequences, and found that identical V-region alleles can differ in upstream sequences. Thus, we have identified a large genetic variation not only in the V-region but also in the upstream sequences of IGHV genes. Our findings challenge current approaches used for annotating immunoglobulin repertoire sequencing data.

Autoantibodies against the enzyme transglutaminase 2 (TG2) are characteristic of celiac disease (CeD), and TG2-specific IgA plasma cells are abundant in gut biopsies of patients. We here describe the corresponding population of autoreactive B cells in blood. Circulating TG2-specific IgA cells were found in untreated patients on a gluten-containing diet but not in controls. They were clonally related to TG2-specific small intestinal plasma cells, and they expressed gut-homing molecules, indicating that they are plasma cell precursors. Unlike other IgA-switched cells, the TG2-specific cells were negative for CD27, placing them in the double negative (IgD-CD27-) category. They had a plasmablast or activated memory B-cell phenotype, and they harbored fewer variable region mutations than other IgA cells. Based on their similarity to naive B cells, we propose that autoreactive IgA cells in CeD are generated mainly through chronic recruitment of naive B cells via an extrafollicular response involving gluten-specific CD4+ T cells.

Reconstruction of antigen receptor sequences from single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) data allows the linking of antigen receptor usage to the full transcriptomic identity of individual B lymphocytes, without having to perform additional targeted repertoire sequencing (Rep-seq). Here we report BraCeR (freely available at https://github.com/teichlab/bracer/), an extension of TraCeR, for reconstruction of paired full-length B-cell receptor sequences and inference of clonality from scRNA-seq data. With an easy-to-use command-line interface, BraCeR provides a complete pipeline for clonal inference and lineage tracing of B cells. Raw scRNA-seq reads can be processed all the way to clonal networks and lineage trees, facilitating linkage of transcriptomic phenotype to the evolution of immunoglobulin sequences.