Summary

 Despite accumulating evidence suggesting local self-maintenance of tissue macrophages in the steady state, the dogma remains that tissue macrophages derive from monocytes. Using parabiosis and fate-mapping approaches, we confirmed that monocytes do not show significant contribution to tissue macrophages in the steady state. Similarly, we found that after depletion of lung macrophages, the majority of repopulation occurred by stochastic cellular proliferation in situ in a macrophage colony-stimulating factor (M-Csf)- and granulocyte macrophage (GM)-CSF-dependent manner but independently of interleukin-4. We also found that after bone marrow transplantation, host macrophages retained the capacity to expand when the development of donor macrophages was compromised. Expansion of host macrophages was functional and prevented the development of alveolar proteinosis in mice transplanted with GM-Csf-receptor-deficient progenitors. Collectively, these results indicate that tissue-resident macrophages and circulating monocytes should be classified as mononuclear phagocyte lineages that are independently maintained in the steady state.

Although classified as hematopoietic cells, tissue-resident macrophages (MFs) arise from embryonic precursors that seed the tissues prior to birth to generate a self-renewing population, which is maintained independently of adult hematopoiesis. Here we reveal the identity of these embryonic precursors using an in utero MF-depletion strategy and fate-mapping of yolk sac (YS) and fetal liver (FL) hematopoiesis. We show that YS MFs are the main precursors of microglia, while most other MFs derive from fetal monocytes (MOs). Both YS MFs and fetal MOs arise from erythro-myeloid progenitors (EMPs) generated in the YS. In the YS, EMPs gave rise to MFs without monocytic intermediates, while EMP seeding the FL upon the establishment of blood circulation acquired c-Myb expression and gave rise to fetal MOs that then seeded embryonic tissues and differentiated into MFs. Thus, adult tissue-resident MFs established from hematopoietic stem cell-independent embryonic precursors arise from two distinct developmental programs.

Macrophages are a heterogeneous cell population involved in tissue homeostasis, inflammation, and various pathologies. Although the major tissue-resident macrophage populations have been extensively studied, interstitial macrophages (IMs) residing within the tissue parenchyma remain poorly defined. Here we studied IMs from murine lung, fat, heart, and dermis. We identified two independent IM subpopulations that are conserved across tissues: Lyve1loMHCIIhiCX3CR1hi (Lyve1loMHCIIhi) and Lyve1hiMHCIIloCX3CR1lo (Lyve1hiMHCIIlo) monocyte-derived IMs, with distinct gene expression profiles, phenotypes, functions, and localizations. Using a new mouse model of inducible macrophage depletion (Slco2b1flox/DTR), we found that the absence of Lyve1hiMHCIIlo IMs exacerbated experimental lung fibrosis. Thus, we demonstrate that two independent populations of IMs coexist across tissues and exhibit conserved niche-dependent functional programming.

Mouse and human dendritic cells (DCs) are composed of functionally specialized subsets, but precise interspecies correlation is currently incomplete. Here, we showed that murine lung and gut lamina propria CD11b+ DC populations were comprised of two subsets: FLT3- and IRF4-dependent CD24+CD64− DCs and contaminating CSF-1R-dependent CD24−CD64+ macrophages. Functionally, loss of CD24+CD11b+ DCs abrogated CD4+ T cell-mediated interleukin-17 (IL-17) production in steady state and after Aspergillus fumigatus challenge. Human CD1c+ DCs, the equivalent of murine CD24+CD11b+ DCs, also expressed IRF4, secreted IL-23, and promoted T helper 17 cell responses. Our data revealed heterogeneity in the mouse CD11b+ DC compartment and identifed mucosal tissues IRF4-expressing DCs specialized in instructing IL-17 responses in both mouse and human. The demonstration of mouse and human DC subsets specialized in driving IL-17 responses highlights the conservation of key immune functions across species and will facilitate the translation of mouse in vivo findings to advance DC-based clinical therapies.

Langerhans cells (LCs) are the dendritic cells (DCs) of the epidermis, forming one of the first hematopoietic lines of defense against skin pathogens. In contrast to other DCs, LCs arise from hematopoietic precursors that seed the skin before birth. However, the origin of these embryonic precursors remains unclear. Using in vivo lineage tracing, we identify a first wave of yolk sac (YS)-derived primitive myeloid progenitors that seed the skin before the onset of fetal liver hematopoiesis. YS progenitors migrate to the embryo proper, including the prospective skin, where they give rise to LC precursors, and the brain rudiment, where they give rise to microglial cells. However, in contrast to microglia, which remain of YS origin throughout life, YS-derived LC precursors are largely replaced by fetal liver monocytes during late embryogenesis. Consequently, adult LCs derive predominantly from fetal liver monocyte-derived cells with a minor contribution of YS-derived cells. Altogether, we establish that adult LCs have a dual origin, bridging early embryonic and late fetal myeloid development.

Dendritic cell (DC)-mediated cross-presentation of exogenous antigens acquired in the periphery is critical for the initiation of CD8+ T cell responses. Several DC subsets are described in human tissues but migratory cross-presenting DCs have not been isolated, despite their potential importance in immunity to pathogens, vaccines, and tumors and tolerance to self. Here, we identified a CD141hi DC present in human interstitial dermis, liver, and lung that was distinct from the majority of CD1c+ and CD14+ tissue DCs and superior at cross-presenting soluble antigens. Cutaneous CD141hi DCs were closely related to blood CD141+ DCs, and migratory counterparts were found among skin-draining lymph node DCs. Comparative transcriptomic analysis with mouse showed tissue DC subsets to be conserved between species and permitted close alignment of human and mouse DC subsets. These studies inform the rational design of targeted immunotherapies and facilitate translation of mouse functional DC biology to the human setting.

Tracing development of the dendritic cell lineage Dendritic cells (DCs) are important components of the immune system that form from the bone marrow into two major cell lineages: plasmacytoid DCs and conventional DCs. See et al. applied single-cell RNA sequencing and cytometry by time-of-flight to characterize the developmental pathways of these cells. They identified blood DC precursors that shared surface markers with plasmacytoid DCs but that were functionally distinct. This unsuspected level of complexity in pre-DC populations reveals additional cell types and refines understanding of known cell types. Science , this issue p. eaag3009

Abstract We dissect metabolic variability of mononuclear phagocyte (MNP) subpopulations across different tissues through integrative analysis of three large scale datasets. Specifically, we introduce ImmGen MNP Open Source dataset that profiled 337 samples and extended previous ImmGen effort which included 202 samples of mononuclear phagocytes and their progenitors. Next, we analysed Tabula Muris Senis dataset to extract data for 51,364 myeloid cells from 18 tissues. Taken together, a compendium of data assembled in this work covers phagocytic populations found across 38 different tissues. To analyse common metabolic features, we developed novel network-based computational approach for unbiased identification of key metabolic subnetworks based on cellular transcriptional profiles in large-scale datasets. Using ImmGen MNP Open Source dataset as baseline, we define 9 metabolic subnetworks that encapsulate the metabolic differences within mononuclear phagocytes, and demonstrate that these features are robustly found across all three datasets, including lipid metabolism, cholesterol biosynthesis, glycolysis, and a set of fatty acid related metabolic pathways, as well as nucleotide and folate metabolism. We systematically define major features specific to macrophage and dendritic cell subpopulations. Among other things, we find that cholesterol synthesis appears particularly active within the migratory dendritic cells. We demonstrate that interference with this pathway through statins administration diminishes migratory capacity of the dendritic cells in vivo . This result demonstrates the power of our approach and highlights importance of metabolic diversity among mononuclear phagocytes.

Human dendritic cell (DC) lineage has been recently unraveled by high dimensional mapping revealing the existence of a discrete new population of blood circulating DC precursor (pre-DC also referred to as AS DC). Among all blood DC subsets, only pre-DC highly express Siglec-1, a lectin-like receptor able to bind HIV-1. We show that pre-DC are uniquely equipped among blood DC populations to promote HIV-1 replication and dissemination. Pre-DC stands out as the most susceptible DC population to infection by both HIV-1 CXCR4- and CCR5-tropic viral particles in a Siglec-1-dependent manner. HIV-1-infected pre-DC produce new viral progeny and transmit the virus to CD4+ T cells. Upon TLR activation, pre-DC become resistant to HIV-1 fusion and thus to infection and switch to a replication-independent mechanism of virus transfer to activated primary T lymphocytes mediated by Siglec-1. Thus, beside their role in DC ontogeny, blood pre-DC possess stage specific properties that HIV-1 may exploit for viral spreading and modulation of the immune response.

Microglia, the brain resident macrophages, critically shape forebrain neuronal circuits. However, their precise function in the cerebellum is unknown. Here we show that human and mouse cerebellar microglia express a unique molecular program distinct from forebrain microglia. Cerebellar microglial identity was driven by the CSF-1R ligand CSF-1, independently of the alternate CSF-1R ligand, IL-34. Accordingly, CSF-1 depletion from Nestin+ cells led to severe depletion and transcriptional alterations of cerebellar microglia, while microglia in the forebrain remained intact. Strikingly, CSF-1 deficiency and alteration of cerebellar microglia were associated with reduced Purkinje cells, altered neuronal function, and defects in motor learning and social novelty interactions. These findings reveal a novel CSF-1-CSF-1R signaling-mediated mechanism that contributes to motor function and social behavior.