Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is a highly lethal and treatment-refractory cancer. Molecular stratification in pancreatic cancer remains rudimentary and does not yet inform clinical management or therapeutic development. Here, we construct a high-resolution molecular landscape of the cellular subtypes and spatial communities that compose PDAC using single-nucleus RNA sequencing and whole-transcriptome digital spatial profiling (DSP) of 43 primary PDAC tumor specimens that either received neoadjuvant therapy or were treatment naive. We uncovered recurrent expression programs across malignant cells and fibroblasts, including a newly identified neural-like progenitor malignant cell program that was enriched after chemotherapy and radiotherapy and associated with poor prognosis in independent cohorts. Integrating spatial and cellular profiles revealed three multicellular communities with distinct contributions from malignant, fibroblast and immune subtypes: classical, squamoid-basaloid and treatment enriched. Our refined molecular and cellular taxonomy can provide a framework for stratification in clinical trials and serve as a roadmap for therapeutic targeting of specific cellular phenotypes and multicellular interactions.

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 Identifying gene regulatory targets of nuclear proteins in tissues remains a challenge. Here we describe in tranuclear C ellular I ndexing of T ranscriptomes and E pitopes (inCITE-seq), a scalable method for measuring multiplexed intranuclear protein levels and the transcriptome in parallel in thousands of cells, enabling joint analysis of TF levels and gene expression in vivo . We apply inCITE-seq to characterize cell state-related changes upon pharmacological induction of neuronal activity in the mouse brain. Modeling gene expression as a linear combination of quantitative protein levels revealed the genome-wide effect of each TF and recovered known targets. Cell type-specific genes associated with each TF were co-expressed as distinct modules that each corresponded to positive or negative TF levels, showing that our approach can disentangle relative contributions of TFs to gene expression and add interpretability to gene networks. InCITE-seq can illuminate how combinations of nuclear proteins shape gene expression in native tissue contexts, with direct applications to solid or frozen tissues and clinical specimens.

E3 ligases regulate key processes, but many of their roles remain unknown. Using Perturb-seq, we interrogated the function of 1,130 E3 ligases, partners and substrates in the inflammatory response in primary dendritic cells (DCs). Dozens impacted the balance of DC1, DC2, migratory DC and macrophage states and a gradient of DC maturation. Family members grouped into co-functional modules that were enriched for physical interactions and impacted specific programs through substrate transcription factors. E3s and their adaptors co-regulated the same processes, but partnered with different substrate recognition adaptors to impact distinct aspects of the DC life cycle. Genetic interactions were more prevalent within than between modules, and a deep learning model, comβVAE, predicts the outcome of new combinations by leveraging modularity. The E3 regulatory network was associated with heritable variation and aberrant gene expression in immune cells in human inflammatory diseases. Our study provides a general approach to dissect gene function.

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.

The SARS-CoV-2 pandemic has caused over 1 million deaths globally, mostly due to acute lung injury and acute respiratory distress syndrome, or direct complications resulting in multiple-organ failures. Little is known about the host tissue immune and cellular responses associated with COVID-19 infection, symptoms, and lethality. To address this, we collected tissues from 11 organs during the clinical autopsy of 17 individuals who succumbed to COVID-19, resulting in a tissue bank of approximately 420 specimens. We generated comprehensive cellular maps capturing COVID-19 biology related to patients' demise through single-cell and single-nucleus RNA-Seq of lung, kidney, liver and heart tissues, and further contextualized our findings through spatial RNA profiling of distinct lung regions. We developed a computational framework that incorporates removal of ambient RNA and automated cell type annotation to facilitate comparison with other healthy and diseased tissue atlases. In the lung, we uncovered significantly altered transcriptional programs within the epithelial, immune, and stromal compartments and cell intrinsic changes in multiple cell types relative to lung tissue from healthy controls. We observed evidence of: alveolar type 2 (AT2) differentiation replacing depleted alveolar type 1 (AT1) lung epithelial cells, as previously seen in fibrosis; a concomitant increase in myofibroblasts reflective of defective tissue repair; and, putative TP63 + intrapulmonary basal-like progenitor (IPBLP) cells, similar to cells identified in H1N1 influenza, that may serve as an emergency cellular reserve for severely damaged alveoli. Together, these findings suggest the activation and failure of multiple avenues for regeneration of the epithelium in these terminal lungs. SARS-CoV-2 RNA reads were enriched in lung mononuclear phagocytic cells and endothelial cells, and these cells expressed distinct host response transcriptional programs. We corroborated the compositional and transcriptional changes in lung tissue through spatial analysis of RNA profiles in situ and distinguished unique tissue host responses between regions with and without viral RNA, and in COVID-19 donor tissues relative to healthy lung. Finally, we analyzed genetic regions implicated in COVID-19 GWAS with transcriptomic data to implicate specific cell types and genes associated with disease severity. Overall, our COVID-19 cell atlas is a foundational dataset to better understand the biological impact of SARS-CoV-2 infection across the human body and empowers the identification of new therapeutic interventions and prevention strategies.

Abstract Plasma cells (PCs) constitute a significant fraction of cells in colonic mucosa and contribute to inflammatory lymphocytic infiltrates in ulcerative colitis (UC). While gut PCs secrete 3-5 g of immunoglobulins daily, including IgA antibodies that target colitogenic bacteria, their role in UC is not known. Here, we combined B cell sorting with single-cell VDJ- and RNA-seq and monoclonal antibody (mAb) testing to characterize the colonic PC repertoire in healthy individuals and patients with UC. We show that a large fraction of B cell clones is shared between different colon regions and that inflammation in UC disrupts this landscape, causing clonal expansion and isotype skewing from IgA1 and IgA2 to IgG1. mAbs produced from expanded PC clones show low polyreactivity and autoreactivity and target specific bacterial strains. Expression profiles of individual PCs from inflamed and non-inflamed colon regions indicate that inflammation is associated with up-regulation of the unfolded protein response (UPR) and antigen presentation genes. Together, our results characterize the microbiome-specific PC response in the colon, its disruption in UC and how PCs might contribute to inflammation in UC.

Abstract The relationship between genetic variation and gene expression in individual brain cell types and subtypes has remained elusive. Here, we generated single-nucleus RNA sequencing data from the dorsolateral prefrontal cortex of 424 individuals of advanced age; analyzing 1.5 million nuclear transcriptomes, we assessed the effect of genetic variants on RNA expression in cis ( cis -eQTL) for 7 cell types and 81 cell subtypes. This effort identified 10,004 eGenes at the cell type level and 8,138 eGenes at the cell subtype level. Many eGenes are only detected within cell subtypes. A new variant influences APOE expression only in microglia and is associated with greater cerebral amyloid angiopathy but not Alzheimer pathology, accounting for the effect of APOEε4 , providing mechanistic insights into both pathologies. While eQTLs are readily detected, only a TMEM106B variant robustly affects the proportion of cell subtypes. Integration of these results with GWAS highlighted the targeted cell type and likely causal gene within susceptibility loci for Alzheimer’s, Parkinson’s, schizophrenia, and educational attainment.