ABSTRACT Dysregulated microglia activation, leading to neuroinflammation, is crucial in neurodegenerative disease development and progression. The initial M1/M2 dual activation classification for microglia is outdated. Even the ‘disease-associated microglia’ (DAM) phenotype, firstly described in mice, falls short in representing the diverse microglia phenotypes in pathology. In this study, we have constructed a transcriptomic atlas of human brain immune cells by integrating single-nucleus (sn)RNA-seq datasets from multiple neurodegenerative conditions. Sixteen datasets were included, comprising 295 samples from patients with Alzheimer’s disease, autism spectrum disorder, epilepsy, multiple sclerosis, Lewy body diseases, COVID-19, and healthy controls. The integrated Human Microglia Atlas ( HuMicA ) dataset included 60,557 nuclei and revealed 11 microglial subpopulations distributed across all pathological and healthy conditions. Among these, we identified four different homeostatic clusters as well as pathological phenotypes. These included two stages of early and late activation of the DAM phenotype and the disease-inflammatory macrophage (DIM) phenotype, which was recently described in mice, and is also present in human microglia, as indicated by our analysis. The high versatility of microglia is evident through changes in subset distribution across various pathologies, suggesting their contribution in shaping pathological phenotypes. Our analysis showed overall depletion of four substates of homeostatic microglia, and expansion of niche subpopulations within the DAM and DIM spectrum across distinct neurodegenerative pathologies. The HuMicA is invaluable in advancing the study of microglia biology in both healthy and disease settings.

Abstract Systemic Lupus Erythematosus (SLE) is an autoimmune disease characterized by systemic inflammation involving various immune cell types. Monocytes, pivotal in promoting and regulating inflammation in SLE, differentiate from classical monocytes into intermediate monocytes and non-classical monocytes, assuming diverse roles. In this study, we investigated the epigenetic and transcriptomic profiles of these three monocyte subsets in an SLE cohort. In addition to common DNA methylation and transcriptomic alterations, we identified monocyte subset-specific alterations, especially in DNA methylation, which reflect an impact of SLE on the monocyte differentiation process. SLE classical monocytes exhibited a stronger proinflammatory profile, with an interferon signature and were primed for macrophage differentiation. SLE non-classical monocytes displayed a phenotype related to T cell differentiation regulation, and a Th17-promoting phenotype. Changes in monocyte proportions, DNA methylation and expression occurred in relation to disease activity and involved the STAT1 pathway. Integrating bulk datasets with single-cell RNA-seq data of SLE patients further supported the interferon signature in classical monocytes, associating intermediate and non-classical populations with exacerbated complement activation pathways. Our results indicate a subversion of the epigenome and transcriptome in monocyte differentiation toward non-classical subsets in SLE, impacting function, in relation to disease activity and progression.

Microglia play a crucial role in a range of neuropathologies through exacerbated activation. Microglial inflammatory responses can be influenced by prior exposures to noxious stimuli, like increased levels of extracellular adenosine and ATP. These are characteristic of brain insults like epileptic seizures and could potentially shape subsequent responses through epigenetic regulation. We investigated DNA methylation and expression changes in human microglia-like cells differentiated from monocytes following ATP-mediated preconditioning. We demonstrate that microglia-like cells display homeostatic microglial features, shown by surface markers, transcriptome, and DNA methylome. After exposure to ATP, TLR-mediated activation leads to an exacerbated pro-inflammatory response. These changes are accompanied by methylation and transcriptional reprogramming associated with enhanced immune-related functions. The reprogramming associated with ATP-mediated preconditioning leads to profiles found in microglial subsets linked to epilepsy. Purine-driven microglia immune preconditioning drives epigenetic and transcriptional changes that could contribute to altered functions of microglia during seizure development and progression.

DNA methylation is traditionally associated with gene silencing, but its causal relationship and role in shaping cell fate decisions still need to be fully elucidated. Here, we conducted a genome-wide analysis to investigate the relationship between DNA methylation and gene expression at gene regulatory regions in human immune cells. By utilizing CRISPR-dCas9 DNA methylation editing tools, we successfully established a cause-and-effect relationship between the methylation levels of the promoter of the Interleukin1-receptor antagonist (IL1RN) gene and its expression. Notably, we observed that modifying the DNA methylation status of the IL1RN promoter is sufficient to alter the acquisition of the human myeloid cell fate and change the cellular response to inflammatory stimuli, resulting in abnormal cytokine release and distinctive capacity to support cancer growth.

ABSTRACT Dendritic cells (DCs) are central in the immune system, bridging the adaptive and innate immune responses. Research on in vitro differentiation of DCs from monocytes provides both in-depth understanding of the analogous in vivo process and potential sources for cancer cell therapy. Active DNA demethylation is crucial in DC differentiation. Vitamin C is a known cofactor of ten-eleven translocation (TET) enzymes, which drive active demethylation. Currently, the effects of vitamin C treatment on human immune cells are poorly understood. In this study, we have studied the epigenomic and transcriptomic reprogramming orchestrated by vitamin C in monocyte-derived DC differentiation and maturation. Vitamin C triggers extensive demethylation at NF-kB/p65 binding sites, together with concordant upregulation of antigen-presentation immune response-related genes during DC maturation. p65 interacts with TET2 and mediates the aforementioned vitamin C-mediated changes, as demonstrated by pharmacological inhibition. Moreover, vitamin C increases TNFβ production in DCs through NF-kB, in concordance with the upregulation of its coding gene and the demethylation of adjacent CpGs. Finally, vitamin C enhances DC’s ability to stimulate the proliferation of autologous antigen-specific T cells. We propose that vitamin C can improve monocyte-derived DC-based cell therapies. Finally, our results provide a feasible mechanism of action for intravenous high-dose vitamin C treatment in patients.

Common variable immunodeficiency (CVID) is the most prevalent primary immunodeficiency, marked by hypogammaglobulinemia, poor antibody responses, and increased infection susceptibility. The COVID-19 pandemic provided a unique opportunity to study the effects of prolonged viral infections on the immune responses of CVID patients. Here we use single-cell RNA-seq and spectral flow cytometry of peripheral blood samples before, during, and after SARS-CoV-2 infection showing that COVID-19 CVID patients display a persistent type I interferon signature at convalescence across immune compartments. Alterations in adaptive immunity include sustained activation of naïve B cells, increased CD21low B cells, impaired Th1 polarization, CD4+ T central memory exhaustion, and increased CD8+ T cell cytotoxicity. NK cell differentiation is defective, although cytotoxicity remains intact. Monocytes show persistent activation of inflammasome-related genes. These findings suggest the involvement of intact humoral immunity in regulating these processes and might indicate the need for early intervention to manage viral infections in CVID patients. Common variable immunodeficiency (CVID) is a prevalent primary immunodeficiency characterized by hypogammaglobulinemia, poor antibody responses, and enhanced susceptibility to infection. Here the authors examine CVID patients infected by SARS-CoV-2 and describe broad immune dysregulation, sustained type I IFN responses, altered B/T cell signaling, impaired NK cell differentiation, and persistent inflammasome activation.

ABSTRACT Microglia, as the main immune effector cells in the central nervous system (CNS), play a crucial role in a diverse range of neuropathological conditions through their exacerbated activation. Microglial inflammatory responses can be influenced by prior exposures to noxious stimuli, such as increased levels of extracellular adenosine and ATP. These conditions are characteristic of brain insults like epileptic seizures and could potentially shape subsequent responses through epigenetic regulation. In this study, we investigated DNA methylation and expression changes in microglia-like cells differentiated from monocytes following ATP-mediated preconditioning. First, during differentiation, we demonstrate that microglia-like cells acquire standard microglial features, including whole transcriptomes and methylomes like in vivo profiles. We show a predominant DNA demethylation in genomic sequences enriched in binding motifs of microglia lineage transcription factors like PU.1, consistent with the relevance of this factor in in vivo microglia. TLR-mediated activation, after a first exposure to ATP, promotes exacerbated pro-inflammatory activation compared to cells not pre-exposed to ATP. These changes are accompanied by DNA methylation and transcriptional reprogramming associated with the acquisition of trained immunity and altered immune-related functions such as with antigen presentation, phagocytosis and cytokine signaling. Finally, the reprogramming associated with ATP-mediated preconditioning leads to profiles found in microglial subsets linked to epilepsy. Purine-driven microglia immune preconditioning drives epigenetic and transcriptional changes that could contribute to altered functions of microglia during seizure development and progression, particularly associated with neuroinflammation.

Dysregulated microglia activation, leading to neuroinflammation, is crucial in neurodegenerative disease development and progression. We constructed an atlas of human brain immune cells by integrating nineteen single-nucleus RNA-seq and single-cell RNA-seq datasets from multiple neurodegenerative conditions, comprising 241 samples from patients with Alzheimer's disease, autism spectrum disorder, epilepsy, multiple sclerosis, Lewy body diseases, COVID-19, and healthy controls. The integrated Human Microglia Atlas (HuMicA) included 90,716 nuclei/cells and revealed nine populations distributed across all conditions. We identified four subtypes of disease-associated microglia and disease-inflammatory macrophages, recently described in mice, and shown here to be prevalent in human tissue. The high versatility of microglia is evident through changes in subset distribution across various pathologies, suggesting their contribution in shaping pathological phenotypes. A GPNMB-high subpopulation was expanded in AD and MS. In situ hybridization corroborated this increase in AD, opening the question on the relevance of this population in other pathologies.