Abstract The mutualistic relationship of gut-resident microbiota and cells of the host immune system promotes homeostasis that ensures maintenance of the microbial community and of a poised, but largely non-aggressive, immune cell compartment 1, 2 . Consequences of disturbing this balance, by environmental or genetic factors, include proximal inflammatory conditions, like Crohn’s disease, and systemic illnesses, both metabolic and autoimmune. One of the means by which this equilibrium is achieved is through induction of both effector and suppressor or regulatory arms of the adaptive immune system. In mice, Helicobacter species induce regulatory (iTreg) and follicular helper (Tfh) T cells in the colon-draining mesenteric lymph nodes under homeostatic conditions, but can instead induce inflammatory Th17 cells when iTreg cells are compromised 3, 4 . How Helicobacter hepaticus and other gut bacteria direct T cells to adopt distinct functions remains poorly understood. Here, we investigated which cells and molecular components are required to convey the microbial instruction for the iTreg differentiation program. We found that antigen presentation by cells expressing ROR γ t, rather than by classical dendritic cells, was both required and sufficient for iTreg induction. These ROR γ t + cells, likely to be type 3 innate lymphoid cells (ILC3) and/or a recently-described population of Aire + cells termed Janus cells 5 , require the MHC class II antigen presentation machinery, the chemokine receptor CCR7, and α v integrin, which activates TGF-β, for iTreg cell differentiation. In the absence of any of these, instead of iTreg cells there was expansion of microbiota-specific pathogenic Th17 cells, which were induced by other antigen presenting cells (APCs) that did not require CCR7. Thus, intestinal commensal microbes and their products target multiple APCs with pre-determined features suited to directing appropriate T cell differentiation programs, rather than a common APC that they endow with appropriate functions. Our results illustrate the ability of microbiota to exploit specialized functions of distinct innate immune system cells, targeting them to achieve the desired composition of equipoised T cells, thus maintaining tolerance.

The human genome contains ~70 million possible protein-altering variants, the vast majority of which are of uncertain clinical significance. Closing this gap is essential for accurate diagnosis of disease-causing variants and understanding their mechanisms of action. Towards this goal, we developed a pooled perturbation approach combining saturation mutagenesis with single cell RNA sequencing to map the effects of every single nucleotide variant in a gene. We sequenced ~440,000 cells expressing variants in CDKN2A (p16INK4a), TP53, and SOD1, observing almost all possible protein-coding variants, with a mean of 61 cells per variant. Using single cell gene expression signatures, we show that each gene may contain multiple types of pathogenic variants that affect distinct downstream pathways. We demonstrate that single cell expression signatures outperform existing bulk experimental assays and computational models for predicting pathogenicity, and summarize both the utility and potential limitations of single cell sequencing as a general variant interpretation assay.

Abstract The Autoimmune Regulator ( Aire ) gene, well defined for its role in medullary thymic epithelial cells (mTECs) and immune self-tolerance, is also expressed in extrathymic Aire -expressing cells (eTACs) in the secondary lymphoid organs. eTACs have been shown to be hematopoietic antigen presenting cells (APCs) and potent inducers of immune tolerance (1–3). However, the precise identity and function of these cells remain unclear. Here, we use high-dimensional single-cell multiomics and functional approaches to define eTACs at the transcriptional, genomic, and proteomic level. We find that eTACs consist of two similar cell types: CCR7+ Aire-expressing migratory dendritic cells (AmDCs) and a unique Aire-hi population co-expressing Aire and RAR-related orphan receptor gamma-t (RORγt). The latter, which have significant transcriptional and genomic homology to migratory dendritic cells (migDCs) and mTECs, we term Janus cells (JCs). All eTACs, and JCs in particular, have a highly accessible chromatin structure and high levels of broad gene expression, including tissue-specific antigens, as well as remarkable transcriptional and genomic homology to thymic medullary epithelium. As in the thymus, Aire expression in eTACs is also dependent on RANK-RANK-ligand interactions. Furthermore, lineage-tracing shows that JCs are not precursors to the majority of AmDCs. Finally, self-antigen expression by eTACs is sufficient to mediate negative selection of T cells escaping thymic selection and can prevent autoimmune diabetes in non-obese diabetic mice. This transcriptional, genomic, and functional symmetry between a hematopoietic Aire-expressing population in the periphery and an epithelial Aire-expressing population in the thymus suggests that a core biological program may influence self-tolerance and self-representation across the spectrum of immune development.