Abstract Naïve CD4 + T cells coordinate the immune response by acquiring an effector phenotype in response to cytokines. However, the cytokine responses in memory T cells remain largely understudied. Here we use quantitative proteomics, bulk RNA-seq, and single-cell RNA-seq of over 40,000 human naïve and memory CD4 + T cells to show that responses to cytokines differ substantially between these cell types. Memory T cells are unable to differentiate into the Th2 phenotype, and acquire a Th17-like phenotype in response to iTreg polarization. Single-cell analyses show that T cells constitute a transcriptional continuum that progresses from naïve to central and effector memory T cells, forming an effectorness gradient accompanied by an increase in the expression of chemokines and cytokines. Finally, we show that T cell activation and cytokine responses are influenced by the effectorness gradient. Our results illustrate the heterogeneity of T cell responses, furthering our understanding of inflammation.

Abstract During activation, T cells undergo extensive changes in gene expression which shape the properties of cells to exert their effector function. Therefore, understanding the genetic regulation of gene expression during T cell activation provides essential insights into how genetic variants influence the response to infections and immune diseases. We generated a single-cell map of expression quantitative trait loci (eQTL) across a T cell activation time-course. We profiled 655,349 CD4 + naive and memory T cells, capturing transcriptional states of unstimulated cells and three time points of cell activation in 119 healthy individuals. We identified 38 cell clusters, including stable clusters such as central and effector memory T cells and transient clusters that were only present at individual time points of activation, such as interferon-responding cells. We mapped eQTLs using a T cell activation trajectory and identified 6,407 eQTL genes, of which a third (2,265 genes) were dynamically regulated during T cell activation. We integrated this information with GWAS variants for immune-mediated diseases and observed 127 colocalizations, with significant enrichment in dynamic eQTLs. Immune disease loci colocalized with genes that are involved in the regulation of T cell activation, and genes with similar functions tended to be perturbed in the same direction by disease risk alleles. Our results emphasize the importance of mapping context-specific gene expression regulation, provide insights into the mechanisms of genetic susceptibility of immune diseases, and help prioritize new therapeutic targets.

Complex immune disease variants are enriched in active chromatin regions of T cells and macrophages. However, whether these variants function in specific cell states or stages of cell activation is unknown. We stimulated T cells and macrophages in the presence of thirteen different cytokine cocktails linked to immune diseases and profiled active enhancers and promoters together with regions of open chromatin. We observed that T cell activation induced major chromatin remodelling, while additional exposure to cytokines fine-tuned the magnitude of these changes. Therefore, we developed a new statistical method that accounts for subtle changes in chromatin landscape to identify SNP enrichment across cell states. Our results point towards the role of immune disease variants in early rather than late activation of memory CD4+ T cells, and with limited differences across polarizing cytokines. Furthermore, we demonstrate that inflammatory bowel disease variants are enriched in chromatin regions active in Th1 cells, while asthma variants overlap regions active in Th2 cells. We also show that Alzheimer disease variants are enriched in different macrophage cell states. Our results represent the first in-depth analysis of immune disease variants across a comprehensive panel of activation states of T cells and macrophages.

Naive CD4+ T cells coordinate the immune response by acquiring an effector phenotype in response to cytokines. However, the cytokine responses in memory T cells remain largely understudied. We used quantitative proteomics, bulk RNA-seq and single-cell RNA-seq of over 40,000 human naive and memory CD4+ T cells to generate a detailed map of cytokine-regulated gene expression programs. We demonstrated that cytokine response differs substantially between naive and memory T cells and showed that memory cells are unable to differentiate into the Th2 phenotype. Moreover, memory T cells acquire a Th17-like phenotype in response to iTreg polarization. At the single-cell level, we demonstrated that T cells form a continuum which progresses from naive to effector memory T cells. This continuum is accompanied by a gradual increase in the expression levels of chemokines and cytokines and thus represents an effectorness gradient. Finally, we found that T cell cytokine responses are determined by where the cells lie in the effectorness gradient and identified genes whose expression is controlled by cytokines in an effectorness-dependent manner. Our results shed light on the heterogeneity of T cells and their responses to cytokines, provide insight into immune disease inflammation and could inform drug development.