The memory CD8

Abstract Cells experience intrinsic and extrinsic pressures that affect their proclivity to expand and persist in vivo . In congenital disorders caused by loss-of-function mutations in mitochondrial DNA (mtDNA), metabolic vulnerabilities may result in cell-type specific phenotypes and depletion of pathogenic alleles, contributing to purifying selection. However, the impact of pathogenic mtDNA mutations on the cellular hematopoietic landscape is not well understood. Here, we establish a multi-omics approach to quantify deletions in mtDNA alongside cell state features in single cells derived from Pearson syndrome patients. We resolve the interdependence between pathogenic mtDNA and lineage, including purifying selection against deletions in effector/memory CD8 T-cell populations and recent thymic emigrants and dynamics in other hematopoietic populations. Our mapping of lineage-specific purifying selection dynamics in primary cells from patients carrying pathogenic heteroplasmy provides a new perspective on recurrent clinical phenotypes in mitochondrial disorders, including cancer and infection, with potential broader relevance to age-related immune dysfunction.

Summary Paragraph Somatic variation contributes to biological heterogeneity by modulating cellular proclivity to differentiate, expand, adapt, or die. While large-scale sequencing efforts have revealed the foundational role of somatic variants to drive human tumor evolution, our understanding of the contribution of mutations to modulate cellular fitness in non-malignant contexts remains understudied. Here, we identify a mosaic synonymous variant (m.7076A>G) in the mitochondrial DNA (mtDNA) encoded cytochrome c-oxidase subunit 1 gene ( MT-CO1 , p.Gly391=), which was present at homoplasmy in 47% of immune cells from a healthy donor. Using single-cell multi-omics, we discover highly specific selection against the m.7076G mutant allele in the CD8 + effector memory T cell compartment in vivo , reminiscent of selection observed for pathogenic mtDNA alleles 1, 2 and indicative of lineage-specific metabolic requirements. While the wildtype m.7076A allele is translated via Watson-Crick-Franklin base-pairing, the anticodon diversity of the mitochondrial transfer RNA pool is limited, requiring wobble-dependent translation of the m.7076G mutant allele. Notably, mitochondrial ribosome profiling revealed altered codon-anticodon affinity at the wobble position as evidenced by stalled translation of the synonymous m.7076G mutant allele encoding for glycine. Generalizing this observation, we provide a new ontogeny of the 8,482 synonymous variants in the human mitochondrial genome that enables interpretation of functional mtDNA variation. Specifically, via inter- and intra-species evolutionary analyses, population-level complex trait associations, and the occurrence of germline and somatic mtDNA mutations from large-scale sequencing studies, we demonstrate that synonymous variation impacting codon:anticodon affinity is actively evolving across the entire mitochondrial genome and has broad functional and phenotypic effects. In summary, our results introduce a new ontogeny for mitochondrial genetic variation and support a model where organismal principles can be discerned from somatic evolution via single-cell genomics.

Summary Memory T cells provide rapid and long-term protection against infection and tumors. The memory CD8 + T cell repertoire contains phenotypically and transcriptionally heterogeneous subsets with specialized functions and recirculation patterns. While these T cell populations have been well characterized in terms of differentiation potential and function, the epigenetic changes underlying memory T cell fate determination and tissue-residency remain largely unexplored. Here, we examined the single-cell chromatin landscape of CD8 + T cells over the course of acute viral infection. We reveal an early bifurcation of memory precursors displaying distinct chromatin accessibility and define epigenetic trajectories that lead to a circulating (T CIRC ) or tissue-resident memory T (T RM ) cell fate. While T RM cells displayed a conserved epigenetic signature across organs, we demonstrate that these cells exhibit tissue-specific signatures and identify transcription factors that regulate T RM cell populations in a site-specific manner. Moreover, we demonstrate that T RM cells and exhausted T (T EX ) cells are distinct epigenetic lineages that are distinguishable early in their differentiation. Together, these findings show that T RM cell development is accompanied by dynamic alterations in chromatin accessibility that direct a unique transcriptional program resulting in a tissue-adapted and functionally distinct T cell state. Graphical Abstract Highlights scATAC atlas reveals the epigenetic variance of memory CD8 + T cell subsets over the course of acute infection Early bifurcation of memory precursors leads to circulating versus tissue-resident cell fates Integrating transcriptional and epigenetic analyses identified organ-specific T RM cell regulators including HIC1 and BACH2 Epigenetic distinction of T RM cells and T EX cell subsets