ABSTRACT Coronavirus disease 2019 (COVID-19) is caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and is associated with a wide range of systemic manifestations. Several observations support a role for vascular endothelial dysfunction in the pathogenesis including an increased incidence of thrombotic events and coagulopathy and the presence of vascular risk factors as an independent predictor of poor prognosis. It has recently been reported that endothelitis is associated with viral inclusion bodies suggesting a direct role for SARS-CoV-2 in the pathogenesis. The ACE2 receptor has been shown to mediate SARS-CoV-2 uptake and it has been proposed that CD147 (BSG) can function as an alternative cell surface receptor. To define the endothelial cell populations that are susceptible to infection with SARS-CoV-2, we investigated the expression of ACE2 as well as other genes implicated in the cellular entry of SARS-Cov-2 in the vascular endothelium through the analysis of single cell sequencing data derived from multiple human tissues (skin, liver, kidney, lung and intestine). We found that CD147 ( BSG ) but not ACE2 is detectable in vascular endothelial cells within single cell sequencing datasets derived from multiple tissues in healthy individuals. This implies that either ACE2 is not expressed in healthy tissue but is instead induced in response to SARS-Cov2 or that SARS-Cov2 enters endothelial cells via an alternative receptor such as CD147.

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.

Abstract A subset of tumor associated macrophages (TAMs) identified by their expression of the lymphatic vessel endothelial hyaluronan receptor-1 (Lyve-1) reside proximal to blood vasculature and contribute to disease progression. Using a spontaneous murine model of mammary adenocarcinoma ( MMTV-PyMT ), we show that Lyve-1 + TAMs, which co-express heme oxygenase-1, form coordinated multi-cellular ‘nest’ structures in the perivascular niche. We show that TAM nest formation is dependent on IL-6 and a communication axis involving CCR5 and its cognate ligands CCL3/4. We demonstrate that Lyve-1 + TAM nests are associated with CD8 + T-cell exclusion from the tumor and the resistance to immune-stimulating chemotherapeutics. This study highlights an unappreciated collaboration between TAMs and uncovers a spatially driven therapeutic resistance mechanism of these cells in cancer which can be therapeutically targeted.

ABSTRACT Brown adipocytes represent a specialized type of mammalian adipocytes able to uncouple nutrient catabolism from ATP generation to dissipate energy as heat. They play an important role in mammals, allowing non-shivering thermogenesis to regulate body temperature in response to cold exposure. In humans, the brown fat tissue is composed of small discrete depots found mostly throughout the neck and trunk region. Increasing brown fat activity either with drug treatment or cell therapy is considered a potential approach for the treatment of metabolic syndrome and obesity. The recent development of in vitro differentiation strategies relying on human pluripotent stem cells (hPSCs) offers the possibility to produce unlimited amounts of brown adipocytes. A strategy efficiently applied to several tissues is to recapitulate step by step the development of the tissue of interest by exposing hPSCs to the signaling cues used during normal embryonic development. However, this strategy has proven difficult to implement for brown fat as the development of this tissue is poorly understood. Here, we first used single cell RNA sequencing to characterize the development of interscapular brown fat in mouse. Our analysis identified a previously unrecognized population of brown adipocytes precursors characterized by expression of the transcription factor GATA6. We show that this precursor population can be efficiently generated from paraxial mesoderm precursors differentiated in vitro from hPSCs by modulating the signaling pathways identified in our transcriptomic analysis. These precursors can in turn be efficiently converted into functional brown adipocytes which can respond to adrenergic stimuli by increasing their metabolism resulting in heat production.

Murine dermis contains functionally and spatially distinct fibroblast lineages that cease to proliferate in early postnatal life. Here we propose a mathematical model in which a negative feedback loop between extracellular matrix (ECM) deposition and fibroblast proliferation determines dermal architecture. Our model faithfully recapitulates dermal maturation, predicting a loss of spatial segregation of fibroblast lineages and dictating that fibroblast migration is only required for wound healing. To test this we performed in vivo live imaging of dermal fibroblasts, which revealed that homeostatic tissue architecture is achieved without active cell migration. In contrast, both fibroblast proliferation and migration are key determinants of tissue repair following wounding. The results show that tissue-scale coordination is driven by the interdependence of cell proliferation and ECM deposition, paving the way for identifying new therapeutic strategies to enhance skin regeneration.

Summary A fundamental challenge in molecular biology is to understand how evolving genomes can acquire new functions. Several recent studies have underscored how non-conserved sequences can contribute to organismal diversification in the primate lineage 1–3 . Actively transcribed, non-coding parts of the genome provide a potential platform for the development of new functional sequences 4 , but their biological and evolutionary roles remain largely unexplored. Here we show that a set of neutrally evolving long non-coding RNAs (lncRNA) arising from small nucleolar RNA Host Genes (SNHGs) are highly expressed in skin and dysregulated in inflammatory conditions. SNHGs affect cell fate determination and can behave as evolutionary intermediates to develop new functions 5 . Using SNHG7 and human epidermal keratinocytes as a model, we describe a mechanism by which these lncRNAs can increase self-renewal and inhibit differentiation. SNHG7 lncRNA’s activity has been acquired recently in the primate lineage and depends on a short sequence required for microRNA binding. Taken together, our results highlight the importance of understanding the role of fast-evolving transcripts in normal and diseased epithelia, and inform on how poorly conserved, actively transcribed non-coding sequences can participate in the evolution of genomic functionality.

Fluctuation in signal transduction pathways is frequently observed during mammalian development. However, its role in regulating stem cells has not been explored. Here we tracked spatiotemporal ERK MAPK dynamics in human epidermal stem cells. While stem cells and differentiated cells were distinguished by high and low stable basal ERK activity, respectively, we also found cells with pulsatile ERK activity. Transitions from Basalhi-Pulselo (stem) to Basalhi-Pulsehi, Basalmid-Pulsehi, and Basallo-Pulselo (differentiated) cells occurred in expanding keratinocyte colonies and in response to a range of differentiation stimuli. Pharmacological inhibition of ERK induced differentiation only when cells were in the Basalmid-Pulsehi state. Basal ERK activity and pulses were differentially regulated by DUSP10 and DUSP6, leading us to speculate that DUSP6-mediated ERK pulse downregulation promotes initiation of differentiation whereas DUSP10-mediated downregulation of mean ERK activity promotes and stabilizes post-commitment differentiation. Quantification of MAPK1/3, DUSP6 and DUSP10 transcripts in individual cells demonstrated that ERK activity is controlled both transcriptionally and post-transcriptionally. When cells were cultured on a topography that mimics the epidermal-dermal interface, spatial segregation of mean ERK activity and pulses was observed. In vivo imaging of mouse epidermis revealed a patterned distribution of basal cells with pulsatile ERK activity and downregulation was linked to the onset of differentiation. Our findings demonstrate that ERK MAPK signal fluctuations link kinase activity to stem cell dynamics.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Canonical Wnt/beta-catenin signalling regulates self-renewal and lineage selection within the mouse epidermis. Although the transcriptional response of keratinocytes that receive a Wnt signal is well characterised, little is known about the mechanism by which keratinocytes in proximity to the Wnt-receiving cell are co-opted to undergo a change in cell fate. To address this, we performed single-cell mRNA-Seq on mouse keratinocytes co-cultured with and without the presence of beta-catenin activated neighbouring cells. We identified seven distinct cell states in cultures that had not been exposed to the beta-catenin stimulus and show that the stimulus redistributes wild type subpopulation proportions. Using temporal single-cell analysis we reconstruct the cell fate changes induced by neighbour Wnt activation. Gene expression heterogeneity was reduced in neighbouring cells and this effect was most dramatic for protein synthesis associated genes. The changes in gene expression were accompanied by a shift from a quiescent to a more proliferative stem cell state. By integrating imaging and reconstructed sequential gene expression changes during the state transition we identified transcription factors, including Smad4 and Bcl3, that were responsible for effecting the transition in a contact-dependent manner. Our data indicate that non cell-autonomous Wnt/beta-catenin signalling decreases transcriptional heterogeneity and further our understanding of how epidermal Wnt signalling orchestrates regeneration and self-renewal.

Epidermal homeostasis depends on a balance between stem cell renewal and terminal differentiation. The transition between the two cell states, termed commitment, is poorly understood. Here we characterise commitment by integrating transcriptomic and proteomic data from disaggregated primary human keratinocytes held in suspension for up to 12h to induce differentiation. We find that cell detachment induces a network of protein phosphatases. The pro-commitment phosphatases – including DUSP6, PPTC7, PTPN1, PTPN13 and PPP3CA – promote differentiation by negatively regulating ERK MAPK and positively regulating AP1 transcription factors. Their activity is antagonised by concomitant upregulation of DUSP10. Boolean network modelling of phosphatase interactions identifies commitment as an inherently unstable biological switch between the stem and differentiated cell states. Furthermore, phosphatase expression is spatially regulated both in vivo and in vitro. We conclude that an auto-regulatory phosphatase network maintains epidermal homeostasis by controlling the onset and duration of commitment.

Abstract Epidermal homeostasis depends on a balance between stem cell renewal and terminal differentiation 1,2 . While progress has been made in characterising the stem and differentiated cell compartments 3 , the transition between the two cell states, termed commitment 4 , is poorly understood. Here we characterise commitment by integrating transcriptomic and proteomic data from disaggregated primary human keratinocytes held in suspension for up to 12h. We have previously shown that commitment begins at approximately 4h and differentiation is initiated by 8h 5 . We find that cell detachment induces a network of protein phosphatases. The pro-commitment phosphatases – including DUSP6, PPTC7, PTPN1, PTPN13 and PPP3CA – promote terminal differentiation by negatively regulating ERK MAPK and positively regulating key API transcription factors. Their activity is antagonised by concomitant upregulation of the anti-commitment phosphatase DUSP10. The phosphatases form a dynamic network of transient positive and negative interactions, with DUSP6 predominating at commitment. Boolean network modelling identifies a mandatory switch between two stable states (stem cell and differentiated cell) via an unstable (committed) state. In addition phosphatase expression is spatially regulated relative to the location of stem cells, both in vivo and in response to topographical cues in vitro. We conclude that an auto-regulatory phosphatase network maintains epidermal homeostasis by controlling the onset and duration of commitment.