CD4+ T cells are repositories of immune memory, conferring enhanced immunity to many infectious agents. Studies of acute viral and bacterial infection suggest that memory CD4+ T cells develop directly from effectors. However, delineating these dynamic developmental pathways has been challenging. Here, we used high-resolution single-cell RNA-seq and temporal mixture modelling to examine the fate of Th1 and Tfh effector cells during non-lethal Plasmodium infection in mice. We observed linear Th1 and Tfh pathways towards memory, characterised by progressive halving in the numbers of genes expressed, and partial transcriptomic coalescence. Low-level persisting infection diverted but did not block these pathways. We observed in the Th1-pathway a linear transition from Th1 through a Tr1 state to TEM cells, which were then poised for Th1 re-call. The Tfh-pathway exhibited a modest Th1-signature throughout, with little evidence of Tr1 development, and co-expression of TCM and memory Tfh markers. Thus, we present a high-resolution atlas of transcriptome dynamics for naïve to memory transitions in CD4+ T cells. We also defined a subset of memory-associated genes, including transcription factors Id2 and Maf, whose expression increased progressively against the background of transcriptomic quiescence. Single-cell ATAC-seq revealed substantial heterogeneity in chromatin accessibility in single effectors, which was extensively, though incompletely reset and homogenised in memory. Our data reveal that linear transitions from effector to memory occur in a progressive manner over several weeks, suggesting opportunities for manipulating CD4+ T cell memory after primary infection.

Acute gastrointestinal Graft-versus-Host Disease is a primary determinant of mortality after allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (alloSCT). It is mediated by alloreactive donor CD4+ T cells that differentiate into pathogenic subsets expressing IFNγ, IL-17A or GM-CSF, and is regulated by subsets expressing IL-10 and/or Foxp3. Developmental relationships between T-helper states during priming in mesenteric lymph nodes (mLN) and effector function in the GI tract remain undefined at genome-scale. We used scRNA-seq and computational modelling to create an atlas of putative differentiation pathways during GVHD. Computational trajectory inference suggested emergence of pathogenic and regulatory states along a single developmental trajectory in mLN. Importantly, we identified an unexpected second trajectory, categorised by little proliferation or cytokine expression, reduced glycolysis, and high TCF1 expression. TCF1hi cells upregulated α4β7 prior to gut migration and failed to express cytokines therein. Nevertheless, they demonstrated recall potential and plasticity following secondary transplantation, including cytokine or Foxp3 expression, but reduced TCF1. Thus, scRNA-seq revealed divergence of allo-reactive CD4+ T cells into quiescent and effector states during gut GVHD, reflecting putative heterogenous priming in vivo. These findings, the first at a single-cell level during GVHD over time can now be used to interrogate T cell development in patients undergoing allogeneic SCT.

Abstract Maturation rate of malaria parasites within red blood cells (RBC) can be influenced by host nutrient status or circadian rhythm. Here, we observed in mice that systemic host inflammation, induced by lipopolysaccharide (LPS) conditioning or ongoing acute malaria infection, slowed the progression of a single cohort of parasites from one generation of RBC to the next. LPS-conditioning and acute infection both triggered substantial changes to the metabolomic composition of plasma in which parasites circulated. This altered plasma directly slowed parasite maturation in a manner that could not be rescued by supplementation, consistent with the presence of inhibitory factors. Single-cell transcriptomic assessment of mixed parasite populations, exposed to a short period of systemic host inflammation in vivo , revealed specific impairment in the transcriptional activity and translational capacity of trophozoites compared to rings or schizonts. Thus, we provide in vivo evidence of transcriptomic and phenotypic plasticity of asexual blood-stage Plasmodium parasites when exposed to systemic host inflammation.