Abstract A recent estimate suggests that one in five deaths globally are associated with sepsis 1 . To date, no targeted treatment is available for this syndrome, likely due to substantial patient heterogeneity 2,3 and our lack of insight into sepsis immunopathology 4 . These issues are highlighted by the current COVID-19 pandemic, wherein many clinical manifestations of severe SARS-CoV-2 infection parallel bacterial sepsis 5–8 . We previously reported an expanded CD14+ monocyte state, MS1, in patients with bacterial sepsis or non-infectious critical illness, and validated its expansion in sepsis across thousands of patients using public transcriptomic data 9 . Despite its marked expansion in the circulation of bacterial sepsis patients, its relevance to viral sepsis and association with disease outcomes have not been examined. In addition, the ontogeny and function of this monocyte state remain poorly characterized. Using public transcriptomic data, we show that the expression of the MS1 program is associated with sepsis mortality and is up-regulated in monocytes from patients with severe COVID-19. We found that blood plasma from bacterial sepsis or COVID-19 patients with severe disease induces emergency myelopoiesis and expression of the MS1 program, which are dependent on the cytokines IL-6 and IL-10. Finally, we demonstrate that MS1 cells are broadly immunosuppressive, similar to monocytic myeloid-derived suppressor cells (MDSCs), and have decreased responsiveness to stimulation. Our findings highlight the utility of regulatory myeloid cells in sepsis prognosis, and the role of systemic cytokines in inducing emergency myelopoiesis during severe bacterial and SARS-CoV-2 infections.

Abstract Therapeutic blockade of co-inhibitory immune receptors PD-1 and CTLA-4 has revolutionized oncology, but treatments are limited by immune-related adverse events (IRAEs). IRAE Colitis (irColitis) is the most common, severe IRAE affecting up to 25% of patients on dual PD-1 and CTLA-4 inhibition. Here, we present a systems biology approach to define the cell populations and transcriptional programs driving irColitis. We collected paired colon mucosal biopsy and blood specimens from 13 patients with irColitis, 8 healthy individuals, and 8 controls on immune checkpoint inhibitors (ICIs), and analyzed them with single-cell/nuclei RNA sequencing with paired TCR and BCR sequencing, multispectral fluorescence microscopy, and secreted factor analysis (Luminex). We profiled 299,407 cells from tissue and blood and identified 105 cell subsets that revealed significant tissue remodeling in active disease. Colon mucosal immune populations were dominated by tissue-resident memory (T RM ) ITGAE -expressing CD8 T cells representing a phenotypic spectrum defined by gene programs associated with T cell activation, cytotoxicity, cycling, and exhaustion. CD8 T RM and effector CD4 T cells upregulated type 17 immune programs ( IL17A, IL26 ) and Tfh-like programs ( CXCL13, PDCD1 ). We also identified for the first time an increased abundance of two KLRG1 and ITGB2 -expressing CD8 T cell populations with circulatory cell markers, including a GZMK T RM -like population and a CX3CR1 population that is predicted to be intravascular. These two populations were more abundant in irColitis patients treated with dual PD-1/CTLA-4 inhibition than those receiving anti-PD-1 monotherapy. They also had significant TCR sharing with PBMCs, suggesting a circulatory origin. In irColitis we observed significant epithelial turnover marked by fewer LGR5 -expressing stem cells, more transit amplifying cells, and upregulation of apoptotic and DNA-sensing programs such as the cGAS-STING pathway. Mature epithelial cells with top crypt genes upregulated interferon-stimulated pathways, CD274 (PD-L1), anti-microbial genes, and MHC-class II genes, and downregulated aquaporin and solute-carrier gene families, likely contributing to epithelial cell damage and absorptive dysfunction. Mesenchymal remodeling was defined by increased endothelial cells, both in irColitis patients and specifically in patients on dual PD-1/CTLA-4 blockade. Cell-cell communication analysis identified putative receptor-ligand pairs that recruit CD8 T cells from blood to inflamed endothelium and positive feedback loops such as the CXCR3 chemokine system that retain cells in tissue. This study highlights the cellular and molecular drivers underlying irColitis and provides new insights into the role of CTLA-4 and PD-1 signaling in maintaining CD8 T RM homeostasis, regulating CD8 T recruitment from blood, and promoting epithelial-immune crosstalk critical to gastrointestinal immune tolerance and intestinal barrier function.

Abstract Mouse models are a tool for studying the mechanisms underlying complex diseases; however, differences between species pose a significant challenge for translating findings to patients. Here, we used single-cell transcriptomics and orthogonal validation approaches to provide cross-species taxonomies, identifying shared broad cell classes and unique granular cellular states, between mouse and human kidney. We generated cell atlases of the diabetic and obese kidney using two different mouse models, a high-fat diet (HFD) model and a genetic model (BTBR ob/ob ), at multiple time points along disease progression. Importantly, we identified a previously unrecognized, expanding Trem2 high macrophage population in kidneys of HFD mice that matched human TREM2 high macrophages in obese patients. Taken together, our cross-species comparison highlights shared immune and metabolic cell-state changes.

The molecular underpinnings of organ dysfunction in acute COVID-19 and its potential long-term sequelae are under intense investigation. To shed light on these in the context of liver function, we performed single-nucleus RNA-seq and spatial transcriptomic profiling of livers from 17 COVID-19 decedents. We identified hepatocytes positive for SARS-CoV-2 RNA with an expression phenotype resembling infected lung epithelial cells. Integrated analysis and comparisons with healthy controls revealed extensive changes in the cellular composition and expression states in COVID-19 liver, reflecting hepatocellular injury, ductular reaction, pathologic vascular expansion, and fibrogenesis. We also observed Kupffer cell proliferation and erythrocyte progenitors for the first time in a human liver single-cell atlas, resembling similar responses in liver injury in mice and in sepsis, respectively. Despite the absence of a clinical acute liver injury phenotype, endothelial cell composition was dramatically impacted in COVID-19, concomitantly with extensive alterations and profibrogenic activation of reactive cholangiocytes and mesenchymal cells. Our atlas provides novel insights into liver physiology and pathology in COVID-19 and forms a foundational resource for its investigation and understanding.

Abstract The human skin confers biophysical and immunological protection through a complex cellular network that is established early in development. We profiled ~500,000 single cells using RNA-sequencing from healthy adult and developing skin, and skin from patients with atopic dermatitis and psoriasis. Our findings reveal a predominance of innate lymphoid cells and macrophages in developing skin in contrast to T cells and migratory dendritic cells in adult skin. We demonstrate dual keratinocyte differentiation trajectories and activated cellular circuits comprising vascular endothelial cells mediating immune cell trafficking, disease-specific clonally expanded IL13/IL22 and IL17A/F -expressing lymphocytes, epidermal IL23 -expressing dendritic cells and inflammatory keratinocytes in disease. Our findings provide key insights into the dynamic cellular landscape of human skin in health and disease. One Sentence Summary Single cell atlas of human skin reveals cell circuits which are quantitatively and qualitatively reconfigured in inflammatory skin disease.

Massively parallel single-cell and single-nucleus RNA-seq (sc/snRNA-seq) have opened the way to systematic tissue atlases in health and disease, but as the scale of data generation is growing, so does the need for computational pipelines for scaled analysis. Here, we developed Cumulus, a cloud-based framework for analyzing large scale sc/snRNA-seq datasets. Cumulus combines the power of cloud computing with improvements in algorithm implementations to achieve high scalability, low cost, user-friendliness, and integrated support for a comprehensive set of features. We benchmark Cumulus on the Human Cell Atlas Census of Immune Cells dataset of bone marrow cells and show that it substantially improves efficiency over conventional frameworks, while maintaining or improving the quality of results, enabling large-scale studies.

Immune checkpoint inhibitors (ICIs) are widely used anti-cancer therapies that can cause morbid and potentially fatal immune-related adverse events (irAEs). ICI-related myocarditis (irMyocarditis) is uncommon but has the highest mortality of any irAE. The pathogenesis of irMyocarditis and its relationship to anti-tumor immunity remain poorly understood. We sought to define immune responses in heart, tumor, and blood during irMyocarditis and identify biomarkers of clinical severity by leveraging single-cell (sc)RNA-seq coupled with T cell receptor (TCR) sequencing, microscopy, and proteomics analysis of 28 irMyocarditis patients and 23 controls. Our analysis of 284,360 cells from heart and blood specimens identified cytotoxic T cells, inflammatory macrophages, conventional dendritic cells (cDCs), and fibroblasts enriched in irMyocarditis heart tissue. Additionally, potentially targetable, pro-inflammatory transcriptional programs were upregulated across multiple cell types. TCR clones enriched in heart and paired tumor tissue were largely non-overlapping, suggesting distinct T cell responses within these tissues. We also identify the presence of cardiac-expanded TCRs in a circulating, cycling CD8 T cell population as a novel peripheral biomarker of fatality. Collectively, these findings highlight critical biology driving irMyocarditis and putative biomarkers for therapeutic intervention.

Definitive haematopoiesis in the fetal liver supports self-renewal and differentiation of haematopoietic stem cells/multipotent progenitors (HSC/MPPs), yet remains poorly defined in humans. Using single cell transcriptome profiling of ~133,000 fetal liver and ~65,000 fetal skin and kidney cells, we identify the repertoire of blood and immune cells in first and early second trimesters of development. From this data, we infer differentiation trajectories from HSC/MPPs, and evaluate the impact of tissue microenvironment on blood and immune cell development. We predict coupling of mast cell differentiation with erythro-megakaryopoiesis and identify physiological erythropoiesis in fetal skin. We demonstrate a shift in fetal liver haematopoietic composition during gestation away from being erythroid-predominant, accompanied by a parallel change in HSC/MPP differentiation potential, which we functionally validate. Our integrated map of fetal liver haematopoiesis provides a blueprint for the study of paediatric blood and immune disorders, and a valuable reference for understanding and harnessing the therapeutic potential of HSC/MPPs.

Inflammation is a biological phenomenon involved in a wide variety of physiological and pathological processes. Although a controlled inflammatory response is beneficial for restoring homeostasis, it can become unfavorable if dysregulated. In recent years, major progress has been made in characterizing acute and chronic inflammation in specific diseases. However, a global, holistic understanding of inflammation is still elusive. This is particularly intriguing, considering the crucial function of inflammation for human health and its potential for modern medicine if fully deciphered. Here, we leverage advances in the field of single-cell genomics to delineate the full spectrum of circulating immune cell activation underlying inflammatory processes during infection, immune-mediated inflammatory diseases and cancer. Our single-cell atlas of >2 million peripheral blood mononuclear cells from 356 patients and 18 diseases allowed us to learn a foundation model of inflammation in circulating immune cells. The atlas expanded our current knowledge of the biology of inflammation of acute (e.g. inflammatory bowel disease, sepsis) and chronic (e.g. cirrhosis, asthma, and chronic obstructive pulmonary disease) disease processes and laid the foundation to develop a precision medicine framework using unsupervised as well as explainable machine learning. Beyond a disease-centered classification, we charted altered activity of inflammatory molecules in peripheral blood cells, depicting functional biomarkers to further understand mechanisms of inflammation. Finally, we have laid the groundwork for developing precision medicine diagnostic tools for patients experiencing severe acute or chronic inflammation by learning a classifier for inflammatory diseases, presenting cells in circulation as a powerful resource for patient stratification.

There is rising interest in applying single-cell transcriptome analysis and other single-cell sequencing methods to resolve differences between cells. Pooled processing of thousands of single cells is now routinely practiced by introducing cell-specific DNA barcodes early in cell processing protocols. However, researchers must sequence a large number of cells to sample rare subpopulations, even when fluorescence-activated cell sorting (FACS) is used to pre-enrich rare cell populations. Here, a new molecular enrichment method is used in conjunction with FACS enrichment to enable efficient sampling of rare dendritic cell (DC) populations, including the recently identified AXL+SIGLEC6+ (AS DCs) subset, within a 10X Genomics single-cell RNA-Seq library. DC populations collectively represent 1-2% of total peripheral blood mononuclear cells (PBMC), with AS DC representing only 1-3% of human blood DCs and 0.01-0.06% of total PBMCs.