Abstract The development of CD4 and CD8 T cells in the thymus is critical to adaptive immunity and is widely studied as a model of lineage commitment. Recognition of self-MHCI/II by the T cell antigen receptor (TCR) determines the lineage choice, but how distinct TCR signals drive transcriptional programs of lineage commitment remains largely unknown. We applied CITE-seq to measure RNA and surface proteins in thymocytes from wild-type and lineage-restricted mice to generate a comprehensive timeline of cell state for each lineage. These analyses revealed a sequential process whereby all thymocytes initiate CD4 lineage differentiation during an initial wave of TCR signaling, followed by a second TCR signaling wave that coincides with CD8 lineage specification. CITE-seq and pharmaceutical inhibition experiments implicate a TCR/calcineurin/NFAT/GATA3 axis in driving the CD4 fate. Overall, our data suggest that multiple redundant mechanisms contribute to the accuracy and efficiency of the lineage choice.

Abstract MHC-E restricted CD8 T cells show promise in vaccine settings, but their development and specificity remain poorly understood. Here we focus on a CD8 T cell population reactive to a self-peptide (FL9) bound to mouse MHC-E (Qa-1 b ) that is presented in response to loss of the MHC I processing enzyme ERAAP, termed QFL T cells. We find that mature QFL thymocytes are predominantly CD8αβ+CD4-, show signs of agonist selection, and give rise to both CD8αα and CD8αβ intraepithelial lymphocytes (IEL), as well as memory phenotype CD8αβ T cells. QFL T cells require the MHC I subunit β-2 microglobulin (β2m), but do not require Qa1 b or classical MHC I for positive selection. However, QFL thymocytes do require Qa1 b for agonist selection and full functionality. Our data highlight the relaxed requirements for positive selection of an MHC-E restricted T cell population and suggest a CD8αβ+CD4-pathway for development of CD8αα IELs.

Abstract Tissue-resident macrophages are essential to protect from pathogen invasion and maintain organ homeostasis. The ability of thymic macrophages to engulf apoptotic thymocytes is well appreciated, but little is known about their ontogeny, maintenance, and diversity. Here, we characterized the surface phenotype and transcriptional profile of these cells and defined their expression signature. Thymic macrophages were most closely related to spleen red pulp macrophages and Kupffer cells and shared the expression of the transcription factor SpiC with these cells. Single-cell RNA sequencing showed that the macrophages in the adult thymus are composed of two populations distinguished by the expression of Timd4 and Cx3cr1 . Remarkably, Timd4 + cells were located in the cortex, while Cx3cr1 + macrophages were restricted to the medulla and the cortico-medullary junction. Using shield chimeras, transplantation of embryonic thymuses, and genetic fate mapping, we found that the two populations have distinct origins. Timd4 + thymic macrophages are of embryonic origin, while Cx3cr1 + macrophages are derived from adult hematopoietic stem cells. Aging has a profound effect on the macrophages in the thymus. Timd4 + cells underwent gradual attrition, while Cx3cr1 + cells slowly accumulated with age and, in older mice, were the dominant macrophage population in the thymus. Altogether, our work defines the phenotype, origin, and diversity of thymic macrophages.

The CD8+ T cell response to the intracellular parasite Toxoplasma gondii varies dramatically between mouse strains, resulting in differences in control of the parasite. Protection in BALB/c mice can be attributed to an unusually strong and protective MHC-1 Ld-restricted CD8+ T cell response directed against a peptide derived from the parasite antigen GRA6. The MHC-1 Ld molecule has limited peptide binding compared to conventional MHC molecules such as Kb or Db, which correlates with polymorphisms associated with “elite control” of HIV in humans. To investigate the link between the unusual MHC-1 molecule Ld and the generation of “elite controller” CD8+ T cell responses, we compared the GRA6-Ld specific T cell response to the well-studied OVA-Kb specific response, and demonstrated that GRA6-Ld specific T cells are significantly more protective and resistant to exhaustion in chronic T. gondii infection. To further investigate the connection between limited peptide presentation and robust T cell responses, we used CRISPR/Cas9 to generate mice with a point mutation (W97R) in the peptide-binding groove of Ld that results in broader peptide binding. We investigated the effect of this Ld W97R mutation on another robust Ld-restricted response against the IE1 peptide during Murine Cytomegalovirus (MCMV) infection. This mutation leads to an increase in exhaustion markers in the IE1-Ld specific CD8+ T cell response. Our results indicate that limited peptide binding by MHC-1 Ld correlates with the development of robust and protective CD8+ T cell responses that may avoid exhaustion during chronic infection.

Abstract Functional tuning of T cells based on their degree of self-reactivity is established during positive selection in the thymus, although how positive selection differs for thymocytes with relatively low versus high self-reactivity is unclear. In addition, preselection thymocytes are highly sensitive to low-affinity ligands, but the mechanism underlying their enhanced TCR sensitivity is not fully understood. Here we show that murine thymocytes with low self-reactivity experience briefer TCR signals and complete positive selection more slowly than those with high self-reactivity. Additionally, we provide evidence that cells with low self-reactivity retain a preselection gene expression signature as they mature, including genes previously implicated in modulating TCR sensitivity and a novel group of ion channel genes. Our results imply that thymocytes with low self-reactivity down-regulate TCR sensitivity more slowly during positive selection, and suggest that modulation of membrane ion channel function may play a role in regulating TCR tuning throughout development. Impact Statement Developing T cells whose TCRs have relatively low reactivity experience very brief TCR signaling events, delayed positive selection, and do not fully down regulate their TCR sensitivity as they mature.

Abstract The fate of developing T cells is determined by the strength of T cell receptor (TCR) signal they receive in the thymus. This process is finely regulated through tuning of positive and negative regulators in thymocytes. The Family with sequence similarity 49 member B (Fam49b) protein is a newly discovered negative regulator of TCR signaling that has been shown to suppress Rac-1 activity in vitro in cultured T cell lines. However, the contribution of Fam49b to thymic development of T cells is unknown. To investigate this important issue, we generated a novel mouse line deficient in Fam49b (Fam49b-KO). We observed that Fam49b-KO double positive (DP) thymocytes underwent excessive negative selection, whereas the positive selection stage was unaffected. This altered development process resulted in significant reductions in CD4 and CD8 single positive thymocytes as well as peripheral T cells. Interestingly, a large proportion of the TCRγδ + and CD8αα + TCRαβ + gut intraepithelial T lymphocytes were absent in Fam49b-KO mice. Our results demonstrate that Fam49b dampens thymocytes TCR signaling in order to escape negative selection during development, uncovering the function of Fam49b as a critical regulator of selection process to ensure normal thymocyte development.