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).

Abstract The endometrium, the mucosal lining of the uterus, undergoes dynamic changes throughout the menstrual cycle in response to ovarian hormones. We have generated single-cell and spatial reference maps of the human uterus and 3D endometrial organoid cultures. We dissect the signalling pathways that determine cell fate of the epithelial lineages in the lumenal and glandular microenvironments. Our benchmark of the endometrial organoids highlights common pathways regulating the differentiation of secretory and ciliated lineage in vivo and in vitro . We show in vitro that downregulation of WNT or NOTCH pathways increases the differentiation efficiency along the secretory and ciliated lineages, respectively. These mechanistic insights provide a platform for future development of treatments for a range of common endometrial disorders including endometriosis and carcinoma.

Abstract We present a multiomic cell atlas of human lung development that combines single cell RNA and ATAC sequencing, high throughput spatial transcriptomics and single cell imaging. Coupling single cell methods with spatial analysis has allowed a comprehensive cellular survey of the epithelial, mesenchymal, endothelial and erythrocyte/leukocyte compartments from 5-22 post conception weeks. We identify new cell states in all compartments. These include developmental-specific secretory progenitors and a new subtype of neuroendocrine cell related to human small cell lung cancer. Our datasets are available through our web interface ( https://lungcellatlas.org ). Finally, to illustrate its general utility, we use our cell atlas to generate predictions about cell-cell signalling and transcription factor hierarchies which we test using organoid models. Highlights Spatiotemporal atlas of human lung development from 5-22 post conception weeks identifies 144 cell types/states. Tracking the developmental origins of multiple cell compartments, including new progenitor states. Functional diversity of fibroblasts in distinct anatomical signalling niches. Resource applied to interrogate and experimentally test the transcription factor code controlling neuroendocrine cell heterogeneity and the origins of small cell lung cancer.

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.

Genomic instability arising from defective responses to DNA damage1 or mitotic chromosomal imbalances2 can lead to the sequestration of DNA in aberrant extranuclear structures called micronuclei (MN). Although MN are a hallmark of ageing and diseases associated with genomic instability, the catalogue of genetic players that regulate the generation of MN remains to be determined. Here we analyse 997 mouse mutant lines, revealing 145 genes whose loss significantly increases (n = 71) or decreases (n = 74) MN formation, including many genes whose orthologues are linked to human disease. We found that mice null for Dscc1, which showed the most significant increase in MN, also displayed a range of phenotypes characteristic of patients with cohesinopathy disorders. After validating the DSCC1-associated MN instability phenotype in human cells, we used genome-wide CRISPR-Cas9 screening to define synthetic lethal and synthetic rescue interactors. We found that the loss of SIRT1 can rescue phenotypes associated with DSCC1 loss in a manner paralleling restoration of protein acetylation of SMC3. Our study reveals factors involved in maintaining genomic stability and shows how this information can be used to identify mechanisms that are relevant to human disease biology1.

Abstract A cell’s function is defined by its intrinsic characteristics and its niche: the tissue microenvironment in which it dwells. Here, we combine single-cell and spatial transcriptomic data to discover cellular niches within eight regions of the human heart. We map cells to micro-anatomic locations and integrate knowledge-based and unsupervised structural annotations. For the first time, we profile the cells of the human cardiac conduction system, revealing their distinctive repertoire of ion channels, G-protein coupled receptors, and cell interactions using a custom CellPhoneDB.org module. We show that the sinoatrial node is compartmentalised, with a core of pacemaker cells, fibroblasts and glial cells supporting paracrine glutamatergic signalling. We introduce a druggable target prediction tool, drug2cell, which leverages single-cell profiles and drug-target interactions, providing unexpected mechanistic insights into the chronotropic effects of drugs, including GLP-1 analogues. In the epicardium, we show enrichment of both IgG+ and IgA+ plasma cells forming immune niches which may contribute to infection defence. We define a ventricular myocardial-stress niche enriched for activated fibroblasts and stressed cardiomyocytes, cell states that are expanded in cardiomyopathies. Overall, we provide new clarity to cardiac electro-anatomy and immunology, and our suite of computational approaches can be deployed to other tissues and organs.

Background: The Human Cell Atlas is a large international collaborative effort to map all cell types of the human body. Single cell RNA sequencing can generate high quality data for the delivery of such an atlas. However, delays between fresh sample collection and processing may lead to poor data and difficulties in experimental design. Despite this, there has not yet been a systematic assessment of the effect of cold storage time on the quality of scRNAseq. Results: This study assessed the effect of cold storage on fresh healthy spleen, oesophagus and lung from ≥5 donors over 72 hours. We collected 240,000 high quality single cell transcriptomes with detailed cell type annotations and whole genome sequences of donors, enabling future eQTL studies. Our data provide a valuable resource for the study of these three organs and will allow cross-organ comparison of cell types. We see little effect of cold ischaemic time on cell viability, yield, total number of reads per cell and other quality control metrics in any of the tissues within the first 24 hours. However, we observed higher percentage of mitochondrial reads, indicative of cellular stress, and increased contamination by background ambient RNA reads in the 72h samples in spleen, which is cell type specific. Conclusions: In conclusion, we present robust protocols for tissue preservation for up to 24 hours prior to scRNAseq analysis. This greatly facilitates the logistics of sample collection for Human Cell Atlas or clinical studies since it increases the time frames for sample processing.

Abstract Skeletal muscle ageing increases the incidence of age-associated frailty and sarcopenia in the elderly worldwide, leading to increased morbidity and mortality. However, our understanding of the cellular and molecular mechanisms of muscle ageing is still far from complete. Here, we generate a single-cell and single-nucleus transcriptomic atlas of skeletal muscle ageing from 15 donors across the adult human lifespan, accompanied by myofiber typing using imaging. Our atlas reveals ageing mechanisms acting across different compartments of the muscle, including muscle stem cells (MuSCs), myofibers and the muscle microenvironment. Firstly, we uncover two mechanisms driving MuSC ageing, namely a decrease in ribosome biogenesis and an increase in inflammation. Secondly, we identify a set of nuclei populations explaining the preferential degeneration of the fast-twitch myofibers and suggest two mechanisms acting to compensate for their loss. Importantly, we identify a neuromuscular junction accessory population, which helps myofiber to compensate for aged-related denervation. Thirdly, we reveal multiple microenvironment cell types contributing to the inflammatory milieu of ageing muscle by producing cytokines and chemokines to attract immune cells. Finally, we provide a comparable mouse muscle ageing atlas and further investigate conserved and specific ageing hallmarks across species. In summary, we present a comprehensive human skeletal muscle ageing resource by combining different data modalities, which significantly expands our understanding of muscle biology and ageing.