Macrophage activation is associated with profound transcriptional reprogramming. Although much progress has been made in the understanding of macrophage activation, polarization, and function, the transcriptional programs regulating these processes remain poorly characterized. We stimulated human macrophages with diverse activation signals, acquiring a data set of 299 macrophage transcriptomes. Analysis of this data set revealed a spectrum of macrophage activation states extending the current M1 versus M2-polarization model. Network analyses identified central transcriptional regulators associated with all macrophage activation complemented by regulators related to stimulus-specific programs. Applying these transcriptional programs to human alveolar macrophages from smokers and patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD) revealed an unexpected loss of inflammatory signatures in COPD patients. Finally, by integrating murine data from the ImmGen project we propose a refined, activation-independent core signature for human and murine macrophages. This resource serves as a framework for future research into regulation of macrophage activation in health and disease.

Lipolysis declines with age because NLRP3 inflammasome-activated adipose tissue macrophages reduce levels of noradrenaline by upregulating genes that control its degradation, such as GDF3 and MAOA. With increasing age, lipolysis (the breakdown of fats in the body) induced by catecholamines declines and fewer free fatty acids are mobilized. This is associated with increased fat around the abdomen, a lower exercise capacity, and a reduced ability to maintain core body temperature and to survive starvation. Vishwa Deep Dixit and colleagues now show that lipolysis declines because fatty tissue macrophages activated by NLRP3 inflammasome reduce the levels of catecholamine by upregulating genes that control its degradation, such as growth differentiation factor-3 (GDF3) and monoamine oxidase A (MAOA). Deletion of NLRP3 or GDF3, or inhibition of MAOA restores lipolysis to more youthful levels. Catecholamine-induced lipolysis, the first step in the generation of energy substrates by the hydrolysis of triglycerides1, declines with age2,3. The defect in the mobilization of free fatty acids in the elderly is accompanied by increased visceral adiposity, lower exercise capacity, failure to maintain core body temperature during cold stress, and reduced ability to survive starvation. Although catecholamine signalling in adipocytes is normal in the elderly, how lipolysis is impaired in ageing remains unknown2,4. Here we show that adipose tissue macrophages regulate the age-related reduction in adipocyte lipolysis in mice by lowering the bioavailability of noradrenaline. Unexpectedly, unbiased whole-transcriptome analyses of adipose macrophages revealed that ageing upregulates genes that control catecholamine degradation in an NLRP3 inflammasome-dependent manner. Deletion of NLRP3 in ageing restored catecholamine-induced lipolysis by downregulating growth differentiation factor-3 (GDF3) and monoamine oxidase A (MAOA) that is known to degrade noradrenaline. Consistent with this, deletion of GDF3 in inflammasome-activated macrophages improved lipolysis by decreasing levels of MAOA and caspase-1. Furthermore, inhibition of MAOA reversed the age-related reduction in noradrenaline concentration in adipose tissue, and restored lipolysis with increased levels of the key lipolytic enzymes adipose triglyceride lipase (ATGL) and hormone sensitive lipase (HSL). Our study reveals that targeting neuro-immunometabolic signalling between the sympathetic nervous system and macrophages may offer new approaches to mitigate chronic inflammation-induced metabolic impairment and functional decline.

Macrophages are dynamic cells integrating signals from their microenvironment to develop specific functional responses. Although, microarray-based transcriptional profiling has established transcriptional reprogramming as an important mechanism for signal integration and cell function of macrophages, current knowledge on transcriptional regulation of human macrophages is far from complete. To discover novel marker genes, an area of great need particularly in human macrophage biology but also to generate a much more thorough transcriptome of human M1- and M1-like macrophages, we performed RNA sequencing (RNA-seq) of human macrophages. Using this approach we can now provide a high-resolution transcriptome profile of human macrophages under classical (M1-like) and alternative (M2-like) polarization conditions and demonstrate a dynamic range exceeding observations obtained by previous technologies, resulting in a more comprehensive understanding of the transcriptome of human macrophages. Using this approach, we identify important gene clusters so far not appreciated by standard microarray techniques. In addition, we were able to detect differential promoter usage, alternative transcription start sites, and different coding sequences for 57 gene loci in human macrophages. Moreover, this approach led to the identification of novel M1-associated (CD120b, TLR2, SLAMF7) as well as M2-associated (CD1a, CD1b, CD93, CD226) cell surface markers. Taken together, these data support that high-resolution transcriptome profiling of human macrophages by RNA-seq leads to a better understanding of macrophage function and will form the basis for a better characterization of macrophages in human health and disease.

Abstract Localization of memory CD8 + T cells to lymphoid or peripheral tissues is believed to correlate with proliferative capacity or effector function. Here we demonstrate that the fractalkine-receptor/CX 3 CR1 distinguishes memory CD8 + T cells with cytotoxic effector function from those with proliferative capacity, independent of tissue-homing properties. CX 3 CR1-based transcriptome and proteome-profiling defines a core signature of memory CD8 + T cells with effector function. We find CD62L hi CX 3 CR1 + memory T cells that reside within lymph nodes. This population shows distinct migration patterns and positioning in proximity to pathogen entry sites. Virus-specific CX 3 CR1 + memory CD8 + T cells are scarce during chronic infection in humans and mice but increase when infection is controlled spontaneously or by therapeutic intervention. This CX 3 CR1-based functional classification will help to resolve the principles of protective CD8 + T-cell memory.

The clinical and therapeutic value of human in vitro generated monocyte-derived dendritic cell (moDC) and macrophages is well established. However, in line with recent findings regarding myeloid cell ontogeny and due to our limited understanding of their physiological counterparts, transcriptional regulation and heterogeneity, the full potential of these important cellular systems is still underestimated. In this study, we use cutting edge high-dimensional analysis methods to better understand the transcriptional organization, phenotypic heterogeneity and functional differences between human ex vivo isolated and in vitro generated mononuclear phagocytes with the aim to better realize their full potential in the clinic. We demonstrate that human monocytes activated by MCSF or GMCSF most closely resemble inflammatory macrophages identified in vivo, while IL4 signalling in the presence of GMCSF generates moDCs resembling inflammatory DCs in vivo, but not steady state cDC1 or cDC2. Moreover, these reprogramming regimes lead to activated monocytes that present with profoundly different transcriptomic, metabolic, phenotypic and functional profiles. Furthermore, we demonstrate that CD14+ monocytes are integrating multiple exogenous activation signals such as GMCSF and IL4 in a combinatorial and temporal fashion, resulting in a high-dimensional cellular continuum of reprogrammed monocytes dependent on the mode and timing of cytokine exposure. Utilizing nanostraw-based knockdown technology, we demonstrate that the IL4-dependent generation of moDCs relies on the induction, nuclear localization and function of the transcriptional regulator NCOR2. Finally, we unravel unappreciated heterogeneity within the clinically moDCs population and propose a novel high-dimensional phenotyping strategy to better tailor clinical quality control strategies for patient need and culture conditions to enhance therapeutic outcome.