Despite their crucial role in health and disease, our knowledge of immune cells within human tissues remains limited. We surveyed the immune compartment of 16 tissues from 12 adult donors by single-cell RNA sequencing and VDJ sequencing generating a dataset of ~360,000 cells. To systematically resolve immune cell heterogeneity across tissues, we developed CellTypist, a machine learning tool for rapid and precise cell type annotation. Using this approach, combined with detailed curation, we determined the tissue distribution of finely phenotyped immune cell types, revealing hitherto unappreciated tissue-specific features and clonal architecture of T and B cells. Our multitissue approach lays the foundation for identifying highly resolved immune cell types by leveraging a common reference dataset, tissue-integrated expression analysis, and antigen receptor sequencing.

Abstract The cellular landscape of the human intestinal tract is dynamic throughout life, developing in utero and changing in response to functional requirements and environmental exposures. Here, to comprehensively map cell lineages, we use single-cell RNA sequencing and antigen receptor analysis of almost half a million cells from up to 5 anatomical regions in the developing and up to 11 distinct anatomical regions in the healthy paediatric and adult human gut. This reveals the existence of transcriptionally distinct BEST4 epithelial cells throughout the human intestinal tract. Furthermore, we implicate IgG sensing as a function of intestinal tuft cells. We describe neural cell populations in the developing enteric nervous system, and predict cell-type-specific expression of genes associated with Hirschsprung’s disease. Finally, using a systems approach, we identify key cell players that drive the formation of secondary lymphoid tissue in early human development. We show that these programs are adopted in inflammatory bowel disease to recruit and retain immune cells at the site of inflammation. This catalogue of intestinal cells will provide new insights into cellular programs in development, homeostasis and disease.

Single-cell genomics studies have decoded the immune cell composition of several human prenatal organs but were limited in describing the developing immune system as a distributed network across tissues. We profiled nine prenatal tissues combining single-cell RNA sequencing, antigen-receptor sequencing, and spatial transcriptomics to reconstruct the developing human immune system. This revealed the late acquisition of immune-effector functions by myeloid and lymphoid cell subsets and the maturation of monocytes and T cells before peripheral tissue seeding. Moreover, we uncovered system-wide blood and immune cell development beyond primary hematopoietic organs, characterized human prenatal B1 cells, and shed light on the origin of unconventional T cells. Our atlas provides both valuable data resources and biological insights that will facilitate cell engineering, regenerative medicine, and disease understanding.

Single-cell transcriptomics has allowed unprecedented resolution of cell types/states in the human lung, but their spatial context is less well defined. To (re)define tissue architecture of lung and airways, we profiled five proximal-to-distal locations of healthy human lungs in depth using multi-omic single cell/nuclei and spatial transcriptomics (queryable at lungcellatlas.org ). Using computational data integration and analysis, we extend beyond the suspension cell paradigm and discover macro and micro-anatomical tissue compartments including previously unannotated cell types in the epithelial, vascular, stromal and nerve bundle micro-environments. We identify and implicate peribronchial fibroblasts in lung disease. Importantly, we discover and validate a survival niche for IgA plasma cells in the airway submucosal glands (SMG). We show that gland epithelial cells recruit B cells and IgA plasma cells, and promote longevity and antibody secretion locally through expression of CCL28, APRIL and IL-6. This new 'gland-associated immune niche' has implications for respiratory health.

Summary Multiple distinct cell types of the human lung and airways have been defined by single cell RNA sequencing (scRNAseq). Here we present a multi-omics spatial lung atlas to define novel cell types which we map back into the macro- and micro-anatomical tissue context to define functional tissue microenvironments. Firstly, we have generated single cell and nuclei RNA sequencing, VDJ-sequencing and Visium Spatial Transcriptomics data sets from 5 different locations of the human lung and airways. Secondly, we define additional cell types/states, as well as spatially map novel and known human airway cell types, such as adult lung chondrocytes, submucosal gland (SMG) duct cells, distinct pericyte and smooth muscle subtypes, immune-recruiting fibroblasts, peribronchial and perichondrial fibroblasts, peripheral nerve associated fibroblasts and Schwann cells. Finally, we define a survival niche for IgA-secreting plasma cells at the SMG, comprising the newly defined epithelial SMG-Duct cells, and B and T lineage immune cells. Using our transcriptomic data for cell-cell interaction analysis, we propose a signalling circuit that establishes and supports this niche. Overall, we provide a transcriptional and spatial lung atlas with multiple novel cell types that allows for the study of specific tissue microenvironments such as the newly defined gland-associated lymphoid niche (GALN).

Genetic screens based on CRISPR/Cas technology are a powerful tool for understanding cellular phenotypes. However, the coverage and replicate requirements result in large experiment sizes, which are limiting when samples are scarce, or the protocols are expensive and laborious. Here, we present an approach to reduce the scale of genome-wide perturbation screens up to fivefold without sacrificing performance. To do so, we deliver two randomly paired gRNAs into each cell, and rely on recent advances in gRNA design, as well as availability of gRNA effect measurements, to reduce the number of gRNAs per gene. We designed a human genome-wide library that has effective size of 30,000 constructs, yet targets each gene with three gRNAs. Our minimized double guide RNA library gives similar results to a standard single gRNA one, but using substantially fewer cells. We demonstrate that genome-wide screens can be optimized in a demanding model of induced pluripotent stem cells, reducing reagent cost 70% per replicate compared to conventional approach, while retaining high performance. The screen design and the reduction in scale it provides will enable functional genomics experiments across many possible combinations of environments and genetic backgrounds, as well as in hard to obtain and culture primary cells.

Abstract The cellular landscape of the human intestinal tract is dynamic throughout life, developing in utero and changing in response to functional requirements and environmental exposures. To comprehensively map cell lineages in the healthy developing, pediatric and adult human gut from ten distinct anatomical regions, as well as draining lymph nodes, we used singlecell RNA-seq and VDJ analysis of roughly one third of a million cells. This reveals the presence of BEST4+ absorptive cells throughout the human intestinal tract, demonstrating the existence of this cell type beyond the colon for the first time. Furthermore, we implicate IgG sensing as a novel function of intestinal tuft cells, and link these cells to the pathogenesis of inflammatory bowel disease. We define novel glial and neuronal cell populations in the developing enteric nervous system, and predict cell-type specific expression of Hirschsprung’s disease-associated genes. Finally, using a systems approach, we identify key cell players across multiple cell lineages driving secondary lymphoid tissue formation in early human development. We show that these programs are adopted in inflammatory bowel disease to recruit and retain immune cells at the site of inflammation. These data provide an unprecedented catalogue of intestinal cells, and new insights into cellular programs in development, homeostasis and disease.

The COVID-19 pandemic is an ongoing global health threat, yet our understanding of the dynamics of early cellular responses to this disease remains limited

Abstract Neuroblastoma is an embryonal childhood cancer that arises from aberrant development of the neural crest, mostly within the fetal adrenal medulla. It is not established what developmental processes neuroblastoma cancer cells represent. Here, we sought to reveal the phenotype of neuroblastoma cancer cells by comparing cancer (n=16,591) with fetal adrenal single cell transcriptomes (n=57,972). Our principal finding was that the neuroblastoma cancer cell resembled fetal sympathoblasts, but no other fetal adrenal cell type. The sympathoblastic state was a universal feature of neuroblastoma cells, transcending cell cluster diversity, individual patients and clinical phenotypes. We substantiated our findings in 652 neuroblastoma bulk transcriptomes and by integrating canonical features of the neuroblastoma genome with transcriptional signals. Overall, our observations indicate that there exists a pan-neuroblastoma cancer cell state which may be an attractive target for novel therapeutic avenues.