The immune system has evolved specialized cellular and molecular mechanisms for targeting and regulating immune responses at epithelial surfaces. Here we show that small intestinal intraepithelial lymphocytes and lamina propria lymphocytes migrate to thymus-expressed chemokine (TECK). This attraction is mediated by CC chemokine receptor (CCR)9, a chemoattractant receptor expressed at high levels by essentially all CD4+ and CD8+ T lymphocytes in the small intestine. Only a small subset of lymphocytes in the colon are CCR9+, and lymphocytes from other tissues including tonsils, lung, inflamed liver, normal or inflamed skin, inflamed synovium and synovial fluid, breast milk, and seminal fluid are universally CCR9−. TECK expression is also restricted to the small intestine: immunohistochemistry reveals that intense anti-TECK reactivity characterizes crypt epithelium in the jejunum and ileum, but not in other epithelia of the digestive tract (including stomach and colon), skin, lung, or salivary gland. These results imply a restricted role for lymphocyte CCR9 and its ligand TECK in the small intestine, and provide the first evidence for distinctive mechanisms of lymphocyte recruitment that may permit functional specialization of immune responses in different segments of the gastrointestinal tract. Selective expression of chemokines by differentiated epithelium may represent an important mechanism for targeting and specialization of immune responses.

Abstract Specialized stromal cells occupy and help define B- and T cell domains, which is crucial for proper functioning of our immune system. Signaling through lymphotoxin and TNF-receptors is crucial for development of different stromal subsets which are thought to arise from a common precursor. However, mechanisms that control the selective generation of the different stromal phenotypes are not known. Here we show that in mice, retinoic acid mediated signaling is important for the differentiation of precursors towards the Cxcl13 pos follicular dendritic cell (FDC) lineage, while blocking lymphotoxin mediated Ccl19 pos fibroblastic reticular cell (FRC) lineage differentiation. Consequently, we see at day of birth Cxcl13 pos Ccl19 neg/low and Cxcl13 neg/low Ccl19 pos cells within neonatal lymph nodes. Furthermore, ablation of retinoic acid receptor signaling in stromal precursors early after birth reduces Cxcl13 expression, while in addition, complete blockade of retinoic acid signaling prevents formation of FDC networks in lymph nodes.

Abstract The hematopoietic niche is a supportive microenvironment comprised of distinct cell types, including specialized vascular endothelial cells that directly interact with hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). The molecular factors that specify niche endothelial cells and orchestrate HSPC homeostasis remain largely unknown. Using multi-dimensional gene expression and chromatin accessibility analyses, we define a conserved gene expression signature and cis -regulatory landscape unique to sinusoidal endothelial cells in the HSPC niche. Using enhancer mutagenesis and transcription factor overexpression, we elucidate a transcriptional code involving members of the Ets, Sox and Nuclear Hormone Receptor families that is sufficient to induce ectopic niche endothelial cells that associate with mesenchymal stromal cells and support the recruitment, maintenance and division of HSPCs in vivo . These studies set forth an approach for generating synthetic HSPC niches, in vitro or in vivo , and for effective therapies to modulate the endogenous niche.

Blood vascular endothelial cells (BECs) control the immune response by regulating immune cell recruitment, metabolite exchange and blood flow in lymphoid tissues. However, the diversity of BEC and their origins during immune angiogenesis remain poorly understood. Here we profile transcriptomes of BEC from mouse peripheral lymph nodes and map key phenotypes to the vasculature. Our analysis identifies multiple novel subsets including a venous population whose gene signature predicts an unexpectedly selective role in myeloid cell (vs lymphocyte) recruitment to the medulla, confirmed by 2 photon videomicroscopy. We define five phenotypes of capillary lining BEC including a capillary resident regenerative population (CRP) that displays stem cell and migratory gene signatures and contributes to homeostatic BEC turnover and to vascular neogenesis after immunization. Trajectory analyses reveal retention of developmental programs along a progression of cellular phenotypes from CRP to mature venous and arterial BEC subsets. Overall, our single cell atlas provides a molecular blueprint of the lymph node blood vasculature and defines subset specialization for immune cell recruitment and vascular homeostasis.

Single-cell transcriptomics promises to revolutionize our understanding of the vasculature. Emerging computational methods applied to high dimensional single cell data allow integration of results between samples and species, and illuminate the diversity and underlying developmental and architectural organization of cell populations. Here, we illustrate these methods in analysis of mouse lymph node (LN) lymphatic endothelial cells (LEC) at single cell resolution. Clustering identifies five well-delineated subsets, including two medullary sinus subsets not recognized previously as distinct. Nearest neighbor alignments in trajectory space position the major subsets in a sequence that recapitulates known and suggests novel features of LN lymphatic organization, providing a transcriptional map of the lymphatic endothelial niches and of the transitions between them. Differences in gene expression reveal specialized programs for (1) subcapsular ceiling endothelial interactions with the capsule connective tissue and cells, (2) subcapsular floor regulation of lymph borne cell entry into the LN parenchyma and antigen presentation, and (3) medullary subset specialization for pathogen interactions and LN remodeling. LEC of the subcapsular sinus floor and medulla, which represent major sites of cell entry and exit from the LN parenchyma respectively, respond robustly to oxazolone inflammation challenge with enriched signaling pathways that converge on both innate and adaptive immune responses. Integration of mouse and human single-cell profiles reveals a conserved cross-species pattern of lymphatic vascular niches and gene expression, as well as specialized human subsets and genes unique to each species. The examples provided demonstrate the power of single-cell analysis in elucidating endothelial cell heterogeneity, vascular organization and endothelial cell responses. We discuss the findings from the perspective of LEC functions in relation to niche formations in the unique stromal and highly immunological environment of the LN.

SUMMARY Immunoglobulin family and carbohydrate vascular addressins encoded by Madcam1 and St6gal1 control lymphocyte homing into intestinal tissues, regulating immunity and inflammation. The addressins are developmentally programmed to decorate endothelial cells lining gut post-capillary and high endothelial venules, providing a prototypical example of organ- and segment-specific endothelial specialization. We identify conserved NKX-COUP-TFII composite elements (NCCE) in regulatory regions of Madcam1 and St6gal1 that bind intestinal homeodomain protein NKX2-3 cooperatively with venous nuclear receptor COUP-TFII to activate transcription. The Madcam1 element also integrates repressive signals from arterial/capillary Notch effectors. Pan-endothelial COUP-TFII overexpression induces ectopic addressin expression in NKX2-3 + capillaries, while NKX2-3 deficiency abrogates expression by HEV. Phylogenetically conserved NCCE are enriched in genes involved in neuron migration and morphogenesis of the heart, kidney, pancreas and other organs. Our results define a genomic address code for targeted expression of mucosal vascular addressins and implicate NCCE in fundamental processes in cell specification and development.

Summary Scarcity of tumor-infiltrating T cells poses significant challenges to cancer treatment, but mechanisms that regulate T cell recruitment into the tumor microenvironment are unclear. Here we ask if the endothelial lining of tumor vasculature suppresses T cell infiltration. Using mouse pancreatic ductal adenocarcinoma models, we found that Notch signaling in endothelial cells (ECs) inhibits the pro-inflammatory functions of cancer-associated fibroblasts (CAFs) and prevents CAFs from secreting CXCL10, a chemokine that recruits anti-tumor T cells via its receptor CXCR3. Abrogation of canonical Notch signaling in ECs reprogrammed the phenotype of CAFs from myofibroblasts into pro-inflammatory fibroblasts, unleashed interferon gamma (IFNγ) responses in the tumor, and stimulated CXCL10/CXCR3-mediated recruitment of T cells to inhibit tumor growth. Collectively, these data uncover an important role of endothelial Notch signaling in shaping the tumor immune microenvironment, and suggest the potential of targeting EC-CAF crosstalk as an approach to enhance anti-tumor immunity in immunologically cold tumors. In brief How blood vasculature shapes the tumor immune microenvironment is poorly defined. This study demonstrates that tumor endothelial cells reprogram cancer-associated fibroblasts to limit anti-tumor T cell recruitment, and suggests the potential of targeting endothelium-fibroblast crosstalk to overcome T cell scarcity in “cold” tumors and enhance anti-tumor immunity.