Abstract Cryopreserved peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) are frequently collected and provide disease- and treatment-relevant data in clinical studies. Here, we developed combined protein (40 antibodies) and transcript single cell (sc)RNA sequencing in PBMCs. Among 31 participants in the WIHS Study, we sequenced 41,611 cells. Using Boolean gating followed by Seurat UMAPs and Louvain clustering, we identified 58 subsets among CD4 T, CD8 T, B, NK cells and monocytes. This resolution was superior to flow cytometry, mass cytometry or scRNA-sequencing without antibodies. Since the transcriptome was not needed for cell identification, combined protein and transcript scRNA-Seq allowed for the assessment of disease-related changes in transcriptomes and cell type proportion. As a proof-of-concept, we showed such differences between healthy and matched individuals living with HIV with and without cardiovascular disease. In conclusion, combined protein and transcript scRNA sequencing is a suitable and powerful method for clinical investigations using PBMCs.

ABSTRACT Background Despite the decades-old knowledge that diabetes mellitus (DM) is a major risk factor for cardiovascular disease (CVD), the reasons for this association are only partially understood. Among the immune cells involved in CVD development, accumulating evidence supports the critical role of T cells as drivers and modifiers of this condition. CD4+ T cells are commonly found in atherosclerotic plaques. The activity and distribution of CD4+ T cell subsets differs between the sexes. Methods Peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) of 61 men and women who underwent cardiac catheterization were interrogated by single cell RNA sequencing (scRNA-Seq, ∼200,000 cells) combined with 49 protein markers (CITE-Seq). Coronary artery disease (CAD) was quantified using Gensini scores, with scores above 30 considered CAD+ and below 6 considered CAD-. Four pairs of groups were matched for clinical and demographic parameters. To test how DM changed cell proportions and gene expression, we compared matched groups of diabetic and non-diabetic subjects. We analyzed 41,782 single CD4+ T cell transcriptomes for sex differences in 61 mostly statin-treated coronary artery disease patients with and without DM. Results We identified 16 clusters in CD4 T cells. The proportion of cells in CD4 cluster 8 (CD4T8, CCR2+ Em) was significantly decreased in CAD+, especially among DM+ participants. The proportions of cells in CD4T2, CD4T11, CD4T16 were increased and CD4T13 was decreased in CAD+ among DM+Statin+ participants. CD4T12 was increased in DM+ participants. In female participants, CD4T8, 12, and 13 were decreased compared to in male participants. In CD4 T cells, 31 genes showed significant and coordinated upregulation in both CAD and DM. The DM gene signature was partially additive to the CAD gene signature. Conclusions We conclude that CAD and DM are clearly reflected in PBMC transcriptomes and that significant differences exist between women and men and between subjects treated with statins or not.

Stringent regulation of TNF signaling prevents aberrant inflammation. TNF engages the canonical NF-κB pathway for activating the RelA:p50 heterodimer, which mediates specific expressions of pro-inflammatory and immune response genes. Importantly, the NF-κB system discriminates between time-varied TNF inputs. Negative feedback regulators of the canonical pathway, including IκBα, are thought to ensure transient RelA:p50 responses to brief TNF stimulations. The noncanonical NF-κB pathway controls a separate RelB activity associated with immune differentiation. In a systems modeling approach, we uncovered an unexpected role of p100, a constituent of the noncanonical pathway, in TNF signaling. Brief TNF stimulation of p100-deficient cells produced an additional late NF-κB activity consisted of the RelB:p50 heterodimer, which distorted the TNF-induced gene-expression program. Periodic TNF pulses augmented this RelB:p50 activity, which was reinforced by NF-κB-dependent RelB synthesis. In sum, the NF-κB system seems to engage distantly related molecules for enforcing dynamical and gene controls of immune-activating TNF signaling.