Intestinal epithelial cells absorb nutrients, respond to microbes, function as a barrier and help to coordinate immune responses. Here we report profiling of 53,193 individual epithelial cells from the small intestine and organoids of mice, which enabled the identification and characterization of previously unknown subtypes of intestinal epithelial cell and their gene signatures. We found unexpected diversity in hormone-secreting enteroendocrine cells and constructed the taxonomy of newly identified subtypes, and distinguished between two subtypes of tuft cell, one of which expresses the epithelial cytokine Tslp and the pan-immune marker CD45, which was not previously associated with non-haematopoietic cells. We also characterized the ways in which cell-intrinsic states and the proportions of different cell types respond to bacterial and helminth infections: Salmonella infection caused an increase in the abundance of Paneth cells and enterocytes, and broad activation of an antimicrobial program; Heligmosomoides polygyrus caused an increase in the abundance of goblet and tuft cells. Our survey highlights previously unidentified markers and programs, associates sensory molecules with cell types, and uncovers principles of gut homeostasis and response to pathogens.

COVID-19, which is caused by SARS-CoV-2, can result in acute respiratory distress syndrome and multiple organ failure1–4, but little is known about its pathophysiology. Here we generated single-cell atlases of 24 lung, 16 kidney, 16 liver and 19 heart autopsy tissue samples and spatial atlases of 14 lung samples from donors who died of COVID-19. Integrated computational analysis uncovered substantial remodelling in the lung epithelial, immune and stromal compartments, with evidence of multiple paths of failed tissue regeneration, including defective alveolar type 2 differentiation and expansion of fibroblasts and putative TP63+ intrapulmonary basal-like progenitor cells. Viral RNAs were enriched in mononuclear phagocytic and endothelial lung cells, which induced specific host programs. Spatial analysis in lung distinguished inflammatory host responses in lung regions with and without viral RNA. Analysis of the other tissue atlases showed transcriptional alterations in multiple cell types in heart tissue from donors with COVID-19, and mapped cell types and genes implicated with disease severity based on COVID-19 genome-wide association studies. Our foundational dataset elucidates the biological effect of severe SARS-CoV-2 infection across the body, a key step towards new treatments. Single-cell analysis of lung, heart, kidney and liver autopsy samples shows the molecular and cellular changes and immune response resulting from severe COVID-19 infection.

Genome targeting methods enable cost-effective capture of specific subsets of the genome for sequencing. We present here an automated, highly scalable method for carrying out the Solution Hybrid Selection capture approach that provides a dramatic increase in scale and throughput of sequence-ready libraries produced. Significant process improvements and a series of in-process quality control checkpoints are also added. These process improvements can also be used in a manual version of the protocol.

How the immune system readies for battle Although gene expression is tightly controlled at both the RNA and protein levels, the quantitative contribution of each step, especially during dynamic responses, remains largely unknown. Indeed, there has been much debate whether changes in RNA level contribute substantially to protein-level regulation. Jovanovic et al. built a genome-scale model of the temporal dynamics of differential protein expression during the stimulation of immunological dendritic cells (see the Perspective by Li and Biggin). Newly stimulated functions involved the up-regulation of specific RNAs and concomitant increases in the levels of the proteins they encode, whereas housekeeping functions were regulated posttranscriptionally at the protein level. Science , this issue 10.1126/science.1259038 ; see also p. 1066

Immune responses to cancer are highly variable, with mismatch repair-deficient (MMRd) tumors exhibiting more anti-tumor immunity than mismatch repair-proficient (MMRp) tumors. To understand the rules governing these varied responses, we transcriptionally profiled 371,223 cells from colorectal tumors and adjacent normal tissues of 28 MMRp and 34 MMRd individuals. Analysis of 88 cell subsets and their 204 associated gene expression programs revealed extensive transcriptional and spatial remodeling across tumors. To discover hubs of interacting malignant and immune cells, we identified expression programs in different cell types that co-varied across tumors from affected individuals and used spatial profiling to localize coordinated programs. We discovered a myeloid cell-attracting hub at the tumor-luminal interface associated with tissue damage and an MMRd-enriched immune hub within the tumor, with activated T cells together with malignant and myeloid cells expressing T cell-attracting chemokines. By identifying interacting cellular programs, we reveal the logic underlying spatially organized immune-malignant cell networks.

Candida albicans is both a member of the healthy human microbiome and a major pathogen in immunocompromised individuals. Infections are typically treated with azole inhibitors of ergosterol biosynthesis often leading to drug resistance. Studies in clinical isolates have implicated multiple mechanisms in resistance, but have focused on large-scale aberrations or candidate genes, and do not comprehensively chart the genetic basis of adaptation. Here, we leveraged next-generation sequencing to analyze 43 isolates from 11 oral candidiasis patients. We detected newly selected mutations, including single-nucleotide polymorphisms (SNPs), copy-number variations and loss-of-heterozygosity (LOH) events. LOH events were commonly associated with acquired resistance, and SNPs in 240 genes may be related to host adaptation. Conversely, most aneuploidies were transient and did not correlate with drug resistance. Our analysis also shows that isolates also varied in adherence, filamentation, and virulence. Our work reveals new molecular mechanisms underlying the evolution of drug resistance and host adaptation.

ABSTRACT Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) remains a treatment-refractory disease. Characterizing PDAC by mRNA profiling remains particularly challenging. Previously identified bulk expression subtypes were influenced by contaminating stroma and have not yet informed clinical management, whereas single cell RNA-seq (scRNA-seq) of fresh tumors under-represented key cell types. Here, we developed a robust single-nucleus RNA-seq (snRNA-seq) technique for frozen archival PDAC specimens and used it to study both untreated tumors and those that received neoadjuvant chemotherapy and radiotherapy (CRT). Gene expression programs learned across untreated malignant cell and fibroblast profiles uncovered a clinically relevant molecular taxonomy with improved prognostic stratification compared to prior classifications. Moreover, in the increasingly-adopted neoadjuvant treatment context, there was a depletion of classical-like phenotypes in malignant cells in favor of basal-like phenotypes associated with TNF-NFkB and interferon signaling as well as the presence of novel acinar and neuroendocrine classical-like states, which may be more resilient to cytotoxic treatment. Spatially-resolved transcriptomics revealed an association between malignant cells expressing these basal-like programs and higher immune infiltration with increased lymphocytic content, whereas those exhibiting classical-like programs were linked to sparser macrophage-predominant microniches, perhaps pointing to susceptibility to distinct therapeutic strategies. Our refined molecular taxonomy and spatial resolution can help advance precision oncology in PDAC through informative stratification in clinical trials and insights into differential therapeutic targeting leveraging the immune system.

Abstract While advances in single cell genomics have helped to chart the cellular components of tumor ecosystems, it has been more challenging to characterize their specific spatial organization and functional interactions. Here, we combine single cell RNA-seq and spatial transcriptomics by Slide-seq, to create a detailed spatial map of healthy and dysplastic colon cellular ecosystems and their association with disease progression. We profiled an inducible genetic CRC mouse model that recapitulates key features of human CRC, assigned cell types and epithelial expression programs to spatial tissue locations in tumors, and computationally used them to identify the regional features spanning different cells in the same spatial niche. We find that tumors were organized in cellular neighborhoods, each with a distinct composition of cell subtypes, expression programs, and local cellular interactions. Three cellular neighborhood archetypes were associated with tumor progression, were active at the same time in different spatial parts of the same tumor, involved dysplasia-specific cellular layouts, and relied on distinct mechanisms: ( 1 ) inflammatory epithelial regions with endothelial cells and monocytes expressing angiogenesis, inflammation and invasion programs; ( 2 ) epithelial stem-like regions, associated with plasma and B cell activity; and ( 3 ) epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) regions with dysplastic cells expressing a Wnt signaling program. Comparing to scRNA-seq and Slide-seq data from human CRC, we find that both cell composition and layout features were conserved in both species, with mouse archetypal neighborhoods correlated with malignancy and clinical outcome in human patient tumors, highlighting the relevance of our findings to human disease.