The SARS-CoV-2 novel coronavirus global pandemic (COVID-19) has led to millions of cases and hundreds of thousands of deaths around the globe. While the elderly appear at high risk for severe disease, hospitalizations and deaths due to SARS-CoV-2 among children have been relatively rare. Integrating single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) of the developing mouse lung with temporally-resolved RNA-in-situ hybridization (ISH) in mouse and human lung tissue, we found that expression of SARS-CoV-2 Spike protein primer TMPRSS2 was highest in ciliated cells and type I alveolar epithelial cells (AT1), and TMPRSS2 expression was increased with aging in mice and humans. Analysis of autopsy tissue from fatal COVID-19 cases revealed SARS-CoV-2 RNA was detected most frequently in ciliated and secretory cells in the airway epithelium and AT1 cells in the peripheral lung. SARS-CoV-2 RNA was highly colocalized in cells expressing TMPRSS2. Together, these data demonstrate the cellular spectrum infected by SARS-CoV-2 in the lung epithelium, and suggest that developmental regulation of TMPRSS2 may underlie the relative protection of infants and children from severe respiratory illness.

Abstract The spatial distribution of genetic variation within proteins is shaped by evolutionary constraint and thus can provide insights into the functional importance of protein regions and the potential pathogenicity of protein alterations. Here, we comprehensively evaluate the 3D spatial patterns of constraint on human germline and somatic variation in 4,568 solved protein structures. Different classes of coding variants have significantly different spatial distributions. Neutral missense variants exhibit a range of 3D constraint patterns, with a general trend of spatial dispersion driven by constraint on core residues. In contrast, germline and somatic disease-causing variants are significantly more likely to be clustered in protein structure space. We demonstrate that this difference in the spatial distributions of disease-associated and benign germline variants provides a signature for accurately classifying variants of unknown significance (VUS) that is complementary to current approaches for VUS classification. We further illustrate the clinical utility of our approach by classifying new mutations identified from patients with familial idiopathic pneumonia (FIP) that segregate with disease.

Abstract Background Loss of secretory immunoglobulin A (SIgA) is common in COPD small airways and likely contributes to disease progression. We hypothesized loss of SIgA results from reduced expression of pIgR, a chaperone protein needed for SIgA transcytosis, in the COPD small airway epithelium. Methods pIgR-expressing cells were defined and quantified at single-cell resolution in human airways using RNA in-situ hybridization, immunostaining, and single-cell RNA sequencing. Complementary studies in mice utilized immunostaining, primary murine tracheal epithelial cell (MTEC) culture, and transgenic mice with secretory or ciliated cell-specific knockout of pIgR. SIgA degradation by human neutrophil elastase or secreted bacterial proteases from non-typeable Haemophilus influenzae (NTHi) was evaluated in vitro . Results We found that secretory cells are the predominant cell type responsible for pIgR expression in human and murine airways. Loss of SIgA in small airways was not associated with a reduction in secretory cells but rather a reduction in pIgR protein expression despite intact PIGR mRNA expression. Neutrophil elastase and NTHi-secreted proteases are both capable of degrading SIgA in vitro and may also contribute to a deficient SIgA immunobarrier in COPD. Interpretation Loss of the SIgA immunobarrier in small airways of patients severe COPD is complex and likely results from both pIgR-dependent defects in IgA transcytosis and SIgA degradation. Key Messages What is the key question ? Localized SIgA deficiency in small airways is an established driver of COPD pathogenesis, but the mechanism of loss remains unclear. We hypothesized loss of SIgA is due to reduced numbers of pIgR-expressing cells in SIgA-deficient small airways. What is the bottom line ? pIgR is primarily expressed by secretory cells in human and murine airways. Although numbers of secretory cells are similar between SIgA-deficient and SIgA-replete airways in COPD, there is reduced expression of pIgR protein, but not mRNA, in SIgA-deficient airways. Additionally, host and bacterial proteases degrade SIgA in vitro, suggesting loss of SIgA may relate to both impaired transcytosis and increased degradation. Why read on ? This study highlights the complexity of SIgA immunobarrier maintenance and suggests that strategies aimed at restoring the SIgA immunobarrier will need to account for both impaired transcytosis and degradation by host and/or bacterial proteases.

Abstract During alveolar repair, alveolar type 2 (AT2) epithelial cell progenitors rapidly proliferate and differentiate into flat type 1 alveolar epithelial cells. Failure of normal alveolar repair mechanisms can lead to loss of alveolar structure (emphysema) or development of fibrosis, depending on the type and severity of injury. To test if β1-containing integrins are required during repair following acute injury, we administered E. coli lipopolysaccharide (LPS) by intratracheal injection to mice with a post-developmental deletion of β1 integrin in AT2 cells. While control mice recovered from LPS injury without structural abnormalities, β1-deficient mice had more severe inflammation and developed emphysema. In addition, recovering alveoli were repopulated with an abundance of rounded epithelial cells co-expressing type 2, type 1, and mixed intermediate cell state markers, with few mature type 1 cells. β1-deficient AT2 cells showed persistently increased proliferation after injury, which was blocked by inhibiting NF-κB activation in these cells. Lineage tracing experiments revealed that β1-deficient AT2 cells failed to differentiate into mature type 1 alveolar epithelial cells. Together, these findings demonstrate that functional alveolar repair after injury with terminal alveolar epithelial differentiation requires β1-containing integrins.

Abstract A hallmark of idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) and other interstitial lung diseases is dysregulated repair of the alveolar epithelium. The Hippo pathway effector transcription factors YAP and TAZ have been implicated as essential for type 1 and type 2 alveolar epithelial cell (AT1 and AT2) differentiation in the developing lung, yet aberrant activation of YAP/TAZ is a prominent feature of the dysregulated alveolar epithelium in IPF. In these studies, we sought to define the functional role of YAP/TAZ activity during alveolar regeneration. We demonstrate that Yap and Taz are normally activated in AT2 cells shortly after injury, and deletion of Yap/Taz in AT2 cells led to pathologic alveolar remodeling, failure of AT2 to AT1 cell differentiation, increased collagen deposition, exaggerated neutrophilic inflammation, and increased mortality following injury induced by a single dose of bleomycin. Loss of Yap/Taz activity prior to a LPS injury prevented AT1 cell regeneration, led to intra-alveolar collagen deposition, and resulted in persistent innate inflammation. Together these findings establish that AT2 cell Yap/Taz activity is essential for functional alveolar epithelial repair and prevention of fibrotic remodeling.

Abstract Common genetic variants confer substantial risk for chronic lung diseases, including pulmonary fibrosis. Defining the genetic control of gene expression in a cell-type-specific and context-dependent manner is critical for understanding the mechanisms through which genetic variation influences complex traits and disease pathobiology. To this end, we performed single-cell RNA sequencing of lung tissue from 66 individuals with pulmonary fibrosis and 48 unaffected donors. Using a pseudobulk approach, we mapped expression quantitative trait loci (eQTLs) across 38 cell types, observing both shared and cell-type-specific regulatory effects. Furthermore, we identified disease interaction eQTLs and demonstrated that this class of associations is more likely to be cell-type-specific and linked to cellular dysregulation in pulmonary fibrosis. Finally, we connected lung disease risk variants to their regulatory targets in disease-relevant cell types. These results indicate that cellular context determines the impact of genetic variation on gene expression and implicates context-specific eQTLs as key regulators of lung homeostasis and disease.

Abstract The mechanisms tumor cells use to hijack the immune system are largely uncharted. Here we used bioluminescent nuclear factor (NF)-κB reporter mice and macrophages to discover that metastatic tumors trigger NF-κB activation in host macrophages, dependent on mutant KRAS signaling and delivered via secretory versican. Versican activates NF-κB in tumor-associated macrophages via inhibitor of NF-κB kinase (IKK) β, resulting in release of interleukin (IL)-1β into the tumor microenvironment. Versican silencing in cancer cells or conditional IKKβ deletion in macrophages prevents myeloid NF-κB activation and metastasis. Versican is overexpressed and/or mutated in human cancers and metastatic effusions with KRAS mutations, predicts poor survival, can aid in the development of diagnostic platforms for pleural metastasis, and is druggable via toll-like receptor (TLR) 1/2 inhibition. The data indicate a cardinal role for tumor-derived versican in establishing cross-talk with macrophage IKKβ during metastasis and may foster the development of new therapies and diagnostic tools.

Soldiers deployed to Iraq and Afghanistan have a higher prevalence of respiratory symptoms than non-deployed military personnel and some have been shown to have a constellation of findings on lung biopsy termed post-deployment respiratory syndrome (PDRS). Since many of the deployers in this cohort reported exposure to sulfur dioxide (SO 2 ), we developed a model of repetitive exposure to SO 2 in mice that phenocopies many aspects of PDRS, including adaptive immune activation, airway wall remodeling, and pulmonary vascular disease (PVD). Although abnormalities in small airways were not sufficient to alter lung mechanics, PVD was associated with the development of pulmonary hypertension and reduced exercise tolerance in SO 2 exposed mice. Further, we used pharmacologic and genetic approaches to demonstrate a critical role for oxidative stress and isolevuglandins in mediating PVD in this model. In summary, our results indicate that repetitive SO 2 exposure recapitulates many aspects of PDRS and that oxidative stress may mediate PVD in this model, which may be helpful for future mechanistic studies examining the relationship between inhaled irritants, PVD, and PDRS.

Pulmonary fibrosis is a form of chronic lung disease characterized by pathologic epithelial remodeling and accumulation of extracellular matrix. In order to comprehensively define the cell types, mechanisms and mediators driving fibrotic remodeling in lungs with pulmonary fibrosis, we performed single-cell RNA-sequencing of single-cell suspensions from 10 non-fibrotic control and 20 PF lungs. Analysis of 114,396 cells identified 31 distinct cell types. We report a remarkable shift in epithelial cell phenotypes occurs in the peripheral lung in PF, and identify several previously unrecognized epithelial cell phenotypes including a KRT5-/KRT17+, pathologic ECM-producing epithelial cell population that was highly enriched in PF lungs. Multiple fibroblast subtypes were observed to contribute to ECM expansion in a spatially-discrete manner. Together these data provide high-resolution insights into the complexity and plasticity of the distal lung epithelium in human disease, and indicate a diversity of epithelial and mesenchymal cells contribute to pathologic lung fibrosis.

Summary Lung organogenesis requires precisely timed shifts in the spatial organization and function of parenchymal cells, especially during the later stages of lung development. To investigate the mechanisms governing lung parenchymal dynamics during development, we performed a single cell RNA sequencing (scRNA-seq) time-series yielding 92,238 epithelial, endothelial, and mesenchymal cells across 8 time points from embryonic day 12 (E12) to postnatal day 14 (P14) in mice. We combined new computational analyses with RNA in situ hybridization to explore transcriptional velocity, fate likelihood prediction, and spatiotemporal localization of cell populations during the transition between the saccular and alveolar stages. We interrogated this atlas to illustrate the complexity of type 1 pneumocyte function during the saccular and alveolar stages, and we demonstrate an integrated view of the cellular dynamics during lung development.