UNC93B1 is critical for trafficking and function of nucleic acid–sensing Toll-like receptors (TLRs) TLR3, TLR7, TLR8, and TLR9, which are essential for antiviral immunity. Overactive TLR7 signaling induced by recognition of self–nucleic acids has been implicated in systemic lupus erythematosus (SLE). Here, we report UNC93B1 variants (E92G and R336L) in four patients with early-onset SLE. Patient cells or mouse macrophages carrying the UNC93B1 variants produced high amounts of TNF-α and IL-6 and upon stimulation with TLR7/TLR8 agonist, but not with TLR3 or TLR9 agonists. E92G causes UNC93B1 protein instability and reduced interaction with TLR7, leading to selective TLR7 hyperactivation with constitutive type I IFN signaling. Thus, UNC93B1 regulates TLR subtype–specific mechanisms of ligand recognition. Our findings establish a pivotal role for UNC93B1 in TLR7-dependent autoimmunity and highlight the therapeutic potential of targeting TLR7 in SLE.

The medical burden of stroke extends beyond the brain injury itself and is largely determined by chronic comorbidities that develop secondarily. We hypothesized that these comorbidities might share a common immunological cause, yet chronic effects post-stroke on systemic immunity are underexplored. Here, we identify myeloid innate immune memory as a cause of remote organ dysfunction after stroke. Single-cell sequencing revealed persistent pro-inflammatory changes in monocytes/macrophages in multiple organs up to 3 months after brain injury, notably in the heart, leading to cardiac fibrosis and dysfunction in both mice and stroke patients. IL-1β was identified as a key driver of epigenetic changes in innate immune memory. These changes could be transplanted to naive mice, inducing cardiac dysfunction. By neutralizing post-stroke IL-1β or blocking pro-inflammatory monocyte trafficking with a CCR2/5 inhibitor, we prevented post-stroke cardiac dysfunction. Such immune-targeted therapies could potentially prevent various IL-1β-mediated comorbidities, offering a framework for secondary prevention immunotherapy.

Abstract Neoantigen-specific T cell receptors (neoTCRs) promise a safe, highly personalized therapeutic approach in anti-tumor immunotherapy. Substantial progress has been made regarding their identification whereas detailed functional assessment of single TCR characteristics impacting therapeutic efficacy is lacking. We previously identified and functionally characterized neoTCRs specific for neoepitopes derived from KIF2C and SYTL4 demonstrating differences in functional avidity in a patient with metastatic melanoma. In this work, we now combined single-cell TCR- and RNA-sequencing using stimulated peripheral blood derived CD8 + T cells of this patient and thereby identified two new neoTCRs recognizing the previously identified mutated epitope KIF2C P13L . Analyzing patient-derived neoTCR expressing T cells, we detected distinct activation patterns as a measure for substantial heterogeneity within oligoclonal T cell responses towards neoantigens upon specific ex vivo-restimulation. Moreover, neoTCR-transgenic T cells from healthy donors were employed for detailed in vitro and in vivo fine-characterization focusing on TCR-intrinsic functional patterns. Most importantly, in a xenogeneic mouse model experimentally simulating rechallenge of tumor infiltrating lymphocytes (TILs) after adoptive T cell transfer, we found that T cells expressing neoTCRs with a moderate activation profile provide a stable and more sustained anti-tumor response upon repeated in vivo tumor challenge as compared to neoTCRs with a stronger, burst-like reactivity. These insights have significant implications for engineering TCR-transgenic T cells for therapeutic purposes. One Sentence Summary Combining TCR specificity linked single-cell transcriptomics with in vitro and in vivo characterization of transgenic T cells helps to decipher functional potential and persistence of neoantigen-specific T cell receptors (TCRs) for TCR-transgenic T cell-based adoptive cellular anti-tumor immunotherapy.

SUMMARY Multiple sclerosis (MS) is a neuroinflammatory disease initiated by the infiltration of autoreactive T cells into the central nervous system (CNS). Several molecules that modulate T cell CNS infiltration in MS have been identified, but how the components of cell adhesion, migration and signalling pathways interact to execute this fundamental step in MS pathogenesis is unknown. We conducted a genome-wide in vivo CRISPR screen in an experimental autoimmune encephalomyelitis model of MS and identified 18 essential facilitators of T cell migration that include known targets of MS therapies. Combining in vitro studies with in vivo cell transfer and multiphoton microscopy enabled us to reveal three functional modules, centred around the adhesion molecule α4-integrin, the chemokine receptor CXCR3, and the GRK2 kinase, that are required for the migration of autoreactive CD4 + T cells into the CNS. Single-cell analysis of T cells from patients with MS confirmed that the expression of the essential regulators correlates with the propensity of CD4 + T cells to reach the CNS. Taken together, our data reveal the identity and functions of key modules that govern the critical step in the induction of MS lesions.

Abstract B cells contribute to the pathogenesis of both cellular- and humoral-mediated central nervous system (CNS) inflammatory diseases through a variety of mechanisms. In such conditions, B cells may enter the CNS parenchyma and contribute to local tissue destruction. It remains unexplored, however, how infection and autoimmunity drive transcriptional phenotypes, repertoire features, and antibody functionality. Here, we profiled B cells from the CNS of murine models of intracranial (i.c.) viral infections and autoimmunity. We identified a population of clonally expanded, antibody secreting cells (ASCs) that had undergone class-switch recombination and extensive somatic hypermutation following i.c. infection with attenuated lymphocytic choriomeningitis virus (rLCMV). Recombinant expression and characterisation of these antibodies revealed specificity to viral antigens (LCMV glycoprotein GP), correlating with ASC persistence in the brain weeks after resolved infection. Furthermore, these virus-specific ASCs upregulated proliferation and expansion programs in response to the conditional and transient induction of the LCMV GP as a neo-self antigen by astrocytes. This class-switched, clonally expanded, and mutated population persisted and was even more pronounced when peripheral B cells were depleted prior to autoantigen induction in the CNS. In contrast, the most expanded B cell clones in mice with persistent expression of LCMV GP in the CNS did not exhibit neo-self antigen specificity, potentially a consequence of local tolerance induction. Finally, a comparable population of clonally expanded, class-switched, proliferating ASCs was detected in the cerebrospinal fluid of multiple sclerosis patients. Taken together, our findings support the existence of B cells that populate the CNS and are capable of responding to locally encountered autoantigens. Graphical abstract

Abstract Neoantigen-specific T cell receptors (neoTCRs) promise safe, personalized anti-tumor immunotherapy. However, detailed assessment of neoTCR-characteristics affecting therapeutic efficacy is mostly missing. Previously, we identified diverse neoTCRs restricted to different neoantigens in a melanoma patient. In this work, we now combine single-cell TCR-sequencing and RNA-sequencing after neoantigen-specific restimulation of peripheral blood-derived CD8 + T cells of this patient. We detect neoTCRs with specificity for the previously detected neoantigens and perform fine-characterization of neoTCR-transgenic (tg) T cells in vitro and in vivo. We describe a heterogeneous spectrum of TCR-intrinsic activation patterns in response to a shared neoepitope ranging from previously detected more highly frequent neoTCRs with moderate activation to rare ones with initially stronger activation. Experimental restimulation of adoptively transferred neoTCR-tg T cells in a xenogeneic rechallenge tumor model demonstrates superior anti-tumor responses of moderate neoTCR-tg T cells upon repeated tumor contact. These insights have significant implications for the selection of TCRs for therapeutic engineering of TCR-tg T cells.

The enormous medical burden of stroke is not only due to the brain injury itself and the acute systemic effects, but is largely determined by chronic comorbidities that develop secondarily after stroke. We hypothesized that the high rate of comorbidity developing after a stroke might have a shared immunological cause, however, the chronic effects of brain injury on systemic immunity have so far been barely investigated. Here, we identified myeloid innate immune memory as a cause of remote organ dysfunction after stroke. Using single-cell sequencing, we identified persistent pro-inflammatory transcriptomic changes in resident monocytes/macrophages in multiple organs one month after experimental ischemic brain injury, which was particularly abundant in the heart and associated with the development of cardiac fibrosis and diastolic dysfunction. A similar phenotype was seen in myocardial autopsy samples from stroke versus control patients. We observed chronic functional changes in myeloid hematopoiesis driven by post-stroke IL-1beta-mediated epigenetic changes. These alterations could be transplanted to naive recipient mice and were sufficient to induce cardiac dysfunction. By effectively blocking the trafficking of pro-inflammatory monocytes from the bone marrow to the heart using a dual CCR2/5 inhibitor, we successfully prevented post-stroke cardiac dysfunction. This approach holds promising potential as a novel immune-targeted secondary prevention therapy. We anticipate that the epigenetic immune reprogramming mechanisms detailed here for the brain-heart axis could be generalized to provide a novel framework for explaining the development of various comorbidities after acute tissue injury in remote organs.

Multiple sclerosis (MS) is an inflammatory demyelinating disease of the central nervous system with a modest concordance rate in monozygotic twins that strongly argues for involvement of epigenetic factors. We observe in 45 MS discordant monozygotic twins highly similar peripheral blood mononuclear cell-based methylomes. However, a few MS-associated differentially methylated positions (DMP) were identified and validated, including a region in the TMEM232 promoter and ZBTB16 enhancer. In CD4+ T cells we observed an MS-associated differentially methylated region in FIRRE. In addition, many regions showed large methylation differences in individual pairs, but were not clearly associated with MS. Furthermore, epigenetic biomarkers for current interferon-beta treatment were identified, and extensive validation revealed the ZBTB16 DMP as a signature of prior glucocorticoid treatment. Altogether, our study represents an important reference for epigenomic MS studies. It identifies new candidate epigenetic markers, highlights treatment effects and genetic background as major confounders, and argues against some previously reported MS-associated epigenetic candidates.

Cortical pathology contributes to chronic cognitive impairment of patients suffering from the neuroinflammatory disease multiple sclerosis (MS). How such gray matter inflammation affects neuronal structure and function is not well understood. Here we use functional and structural in vivo imaging in a mouse model of cortical MS to demonstrate that bouts of cortical inflammation disrupt cortical circuit activity coincident with a widespread but transient loss of dendritic spines. Spines destined for removal show a local calcium accumulation and are subsequently removed by invading macrophages and activated microglia. Targeting phagocyte activation with a new antagonist of the colony-stimulating factor 1 receptor prevents cortical synapse loss. Overall, our study identifies synapse loss as a key pathological feature of inflammatory gray matter lesions that is amenable to immunomodulatory therapy.