Abstract The polygenic and multi-cellular nature of multiple sclerosis (MS) immunopathology necessitates cell-type-specific molecular studies in order to improve our understanding of the diverse mechanisms underlying immune cell dysfunction in MS. Here, by generating a dataset of 1,075 transcriptomes from 209 participants (167 MS and 42 healthy), we assessed MS-associated transcriptional changes in six implicated cell-type-states: naïve and memory helper T cells and classical monocytes purified from peripheral blood, each in their primary ( ex vivo , unstimulated) and in vitro stimulated states. Our data suggest that primary profiles show larger MS-associated differences than the post-stimulation contexts. We further identified shared and distinct changes in individual genes, biological pathways, and co-expressed gene modules in MS T cells and monocytes, and prioritized genes such as ZBTB16 as MS-associated regulators in both cell types. Of six identified MS-associated co-expressed gene modules, three (two lymphoid and one myeloid) were replicated in independent data from peripheral blood mononuclear cells (PBMC) and monocyte-derived macrophages. A subsequent in silico drug screen prioritized small-molecule compounds for reversing the perturbation of the MS-associated modules. The effects of glucocorticoid receptor agonists as the top-identified therapeutic class for the replicated T cell modules were validated using targeted in silico analyses and in vitro experiments, suggesting the coordinated dysregulation of glucocorticoid-responsive genes in MS T cells. In summary, our study identifies and validates individual genes and co-expressed gene modules from T and myeloid cells that are perturbed in MS, offering new targets for therapeutic discovery and biomarker development to guide the management of MS.

Abstract In multiple sclerosis (MS), immune cells invade the central nervous system and destroy myelin. Macrophages contribute to demyelination and myelin repair, and their role in each process depends on their ability to acquire specific phenotypes in response to external signals. Here, we assess whether defects in MS patient macrophage responses may lead to increased inflammation or lack of neuro-regenerative effects. To test this hypothesis, CD14 + CD16 - monocytes from MS patients and healthy controls were activated in vitro to obtain homeostatic-like, pro-inflammatory and pro-regenerative macrophages. Myelin phagocytic capacity and surface molecule expression of CD14, CD16 and HLA-DR were evaluated with flow cytometry. In parallel, macrophages were assessed through RNA sequencing and metabolomics. We observed that MS patient monocytes ex vivo recapitulate their preferential activation toward a CD16 + phenotype, a subset of pro-inflammatory cells present in MS lesions. Even in the absence of pro-inflammatory stimuli, MS patient macrophages exhibit a pro-inflammatory transcriptomic profile with higher levels of cytokine/chemokine suggesting increased recruitment capacities. Interestingly, MS patient macrophages exhibit a specific metabolic signature with a mitochondrial energy metabolism blockage resulting in a shift from oxidative phosphorylation to glycolysis. Furthermore, we observe a failure to up-regulate apoptosis effector genes in the pro inflammatory state suggesting a longer-lived pro-inflammatory macrophage population. Our results highlight an intrinsic defect of MS patient macrophages that provide evidence of innate immune cell memory in MS.

Multiple sclerosis (MS) is a neuro-inflammatory disease for which the pathogenesis remains largely unclear. Lysophosphatidic acid (LPA) is an endogenous phospholipid that is involved in multiple immune cell functions and is dysregulated in MS. Its receptor LPA1 is expressed in macrophages and regulates their activation, which is of interest due to the role of macrophage activation in MS in both destruction and repair. In this study, we studied the viable Malaga variant of LPA1-null mutation as well as pharmaceutical inhibition of LPA1 in mice with experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), a model of MS. LPA1 expression was also analyzed in both wild-type EAE mice and MS patient immune cells. The effect of LPA and LPA1 on macrophage activation was studied in human monocyte-derived macrophages. We show that lack of LPA1 activity induces a milder clinical course in EAE, and that Lpar1 expression in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) correlates with onset of relapses and severity in wild-type EAE mice. We see the same over-expression in PBMCs from MS patients during relapse compared to progressive forms of the disease, and in monocyte-derived macrophages after exposure to pro-inflammatory stimuli. In addition, LPA induced a pro-inflammatory-like response in macrophages through LPA1, providing a plausible way in which LPA and LPA1 dysregulation can lead to the inflammation seen in MS. These data show a new mechanism of LPA signaling in the pathogenesis of MS, prompting further research into its use as a therapeutic target biomarker.