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 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 IFNγsignalling underpins host responses to infection, inflammation and anti-tumour immunity. Mutations in the IFNγsignalling pathway cause immunological disorders, haematological malignancies, and resistance to immune checkpoint blockade (ICB) in cancer, however the function of most clinically observed variants remain unknown. Here, we systematically investigate the genetic determinants of IFNγresponse in colorectal cancer cells using CRISPR-Cas9 screens and base editing mutagenesis. Deep mutagenesis of JAK1 with cytidine and adenine base editors, combined with pathway-wide screens, reveal loss-of-function and gain-of-function mutations with clinical precedence, including causal variants in haematological malignancies and mutations detected in patients refractory to ICB. We functionally validate variants of uncertain significance in primary tumour organoids, where engineering missense mutations in JAK1 enhanced or reduced sensitivity to autologous tumour-reactive T cells. By classifying > 300 missense variants altering IFNγ pathway activity, we demonstrate the utility of base editing for mutagenesis at scale, and generate a resource to inform genetic diagnosis.