SARS-CoV-2 infection can cause severe respiratory COVID-19. However, many individuals present with isolated upper respiratory symptoms, suggesting potential to constrain viral pathology to the nasopharynx. Which cells SARS-CoV-2 primarily targets and how infection influences the respiratory epithelium remains incompletely understood. We performed scRNA-seq on nasopharyngeal swabs from 58 healthy and COVID-19 participants. During COVID-19, we observe expansion of secretory, loss of ciliated, and epithelial cell repopulation via deuterosomal cell expansion. In mild and moderate COVID-19, epithelial cells express anti-viral/interferon-responsive genes, while cells in severe COVID-19 have muted anti-viral responses despite equivalent viral loads. SARS-CoV-2 RNA+ host-target cells are highly heterogenous, including developing ciliated, interferon-responsive ciliated, AZGP1high goblet, and KRT13+ "hillock"-like cells, and we identify genes associated with susceptibility, resistance, or infection response. Our study defines protective and detrimental responses to SARS-CoV-2, the direct viral targets of infection, and suggests that failed nasal epithelial anti-viral immunity may underlie and precede severe COVID-19.

Infection with SARS-CoV-2, the virus that causes COVID-19, can lead to severe lower respiratory illness including pneumonia and acute respiratory distress syndrome, which can result in profound morbidity and mortality. However, many infected individuals are either asymptomatic or have isolated upper respiratory symptoms, which suggests that the upper airways represent the initial site of viral infection, and that some individuals are able to largely constrain viral pathology to the nasal and oropharyngeal tissues. Which cell types in the human nasopharynx are the primary targets of SARS-CoV-2 infection, and how infection influences the cellular organization of the respiratory epithelium remains incompletely understood. Here, we present nasopharyngeal samples from a cohort of 35 individuals with COVID-19, representing a wide spectrum of disease states from ambulatory to critically ill, as well as 23 healthy and intubated patients without COVID-19. Using standard nasopharyngeal swabs, we collected viable cells and performed single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq), simultaneously profiling both host and viral RNA. We find that following infection with SARS-CoV-2, the upper respiratory epithelium undergoes massive reorganization: secretory cells diversify and expand, and mature epithelial cells are preferentially lost. Further, we observe evidence for deuterosomal cell and immature ciliated cell expansion, potentially representing active repopulation of lost ciliated cells through coupled secretory cell differentiation. Epithelial cells from participants with mild/moderate COVID-19 show extensive induction of genes associated with anti-viral and type I interferon responses. In contrast, cells from participants with severe lower respiratory symptoms appear globally muted in their anti-viral capacity, despite substantially higher local inflammatory myeloid populations and equivalent nasal viral loads. This suggests an essential role for intrinsic, local epithelial immunity in curbing and constraining viral-induced pathology. Using a custom computational pipeline, we characterized cell-associated SARS-CoV-2 RNA and identified rare cells with RNA intermediates strongly suggestive of active replication. Both within and across individuals, we find remarkable diversity and heterogeneity among SARS-CoV-2 RNA+ host cells, including developing/immature and interferon-responsive ciliated cells, KRT13+ "hillock"-like cells, and unique subsets of secretory, goblet, and squamous cells. Finally, SARS-CoV-2 RNA+ cells, as compared to uninfected bystanders, are enriched for genes involved in susceptibility (e.g., CTSL, TMPRSS2) or response (e.g., MX1, IFITM3, EIF2AK2) to infection. Together, this work defines both protective and detrimental host responses to SARS-CoV-2, determines the direct viral targets of infection, and suggests that failed anti-viral epithelial immunity in the nasal mucosa may underlie the progression to severe COVID-19.

ABSTRACT Enzymatic pockets such as those of histone deacetylases (HDACs) are among the most favored targets for drug development. However, enzymatic inhibitors often exhibit low selectivity and high toxicity due to targeting multiple enzyme paralogs, which are often involved in distinct multisubunit complexes. Here, we report the discovery and characterization of a non-enzymatic small molecule inhibitor of HDAC transcriptional repression functions with comparable anti-tumor activity to the enzymatic HDAC inhibitor Vorinostat, and anti-psychedelic activity of an HDAC2 knockout in vivo . We highlight that these phenotypes are achieved while modulating the expression of 20- and 80-fold fewer genes than enzymatic and genetic inhibition in the respective models. Thus, by achieving the same biological outcomes as established therapeutics while impacting a dramatically smaller number of genes, inhibitors of protein-protein interactions can offer important advantages in improving the selectivity of epigenetic modulators. GRAPHICAL ABSTRACT

Abstract Intradermal (ID) Bacillus Calmette–Guérin (BCG) is the most widely administered vaccine in the world. However, ID-BCG fails to achieve the level of protection needed in adults to alter the course of the tuberculosis epidemic. Recent studies in non-human primates have demonstrated high levels of protection against Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) following intravenous (IV) administration of BCG. However, the protective immune features that emerge following IV BCG vaccination remain incompletely defined. Here we used single-cell RNA-sequencing (scRNAseq) to transcriptionally profile 157,114 unstimulated and purified protein derivative (PPD)-stimulated bronchoalveolar lavage (BAL) cells from 29 rhesus macaques immunized with BCG across routes of administration and doses to uncover cell composition-, gene expression-, and biological network-level signatures associated with IV BCG-mediated protection. Our analyses revealed that high-dose IV BCG drove an influx of polyfunctional T cells and macrophages into the airways. These macrophages exhibited a basal activation phenotype even in the absence of PPD-stimulation, defined in part by IFN and TNF-α signaling up to 6 months following BCG immunization. Furthermore, intercellular immune signaling pathways between key myeloid and T cell subsets were enhanced following PPD-stimulation in high-dose IV BCG-vaccinated macaques. High-dose IV BCG also engendered quantitatively and qualitatively stronger transcriptional responses to PPD-stimulation, with a robust Th1-Th17 transcriptional phenotype in T cells, and augmented transcriptional signatures of reactive oxygen species production, hypoxia, and IFN-γ response within alveolar macrophages. Collectively, this work supports that IV BCG immunization creates a unique cellular ecosystem in the airways, which primes and enables local myeloid cells to effectively clear Mtb upon challenge.

ABSTRACT Myeloid cells are key constituents of tuberculosis (TB) granulomas. They are the major target of pathogen infection and play central roles in pathogen control, antigen presentation, adaptive immune cell recruitment, and tissue homeostasis. However, the role of myeloid cells in TB has been studied largely through ex vivo experimental approaches that do not capture the dynamic phenotypic and functional states of these cells in the disease environment. To address this gap, we used a combination of bulk and single-cell RNA sequencing (scRNA-seq), computational modeling, and imaging to define the molecular diversity of myeloid cells in granulomas from Mycobacterium tuberculosis -infected nonhuman primates. We observed an increase in myeloid cell diversity in granulomas compared to non-granulomatous lung tissue. This increased transcriptional diversity is defined by a continuum of macrophage differentiation-, metabolism-, and cytokine-regulated transcriptional programs. In vitro experimental modeling of monocyte-to-macrophage differentiation in defined cytokine environments implicates differentiation time, IFN-γ, and TGF-β signaling as candidate drivers of macrophage diversity. We next examined the conservation of these populations across additional experimental models of Mtb infection and found myeloid cell subsets enriched across the TB disease spectrum. To further contextualize these responses, we constructed an atlas of myeloid cells across diverse human lung pathologies, finding myeloid cell subpopulations that were similar between TB and other lung pathologies as well as subpopulations that distinguish between diseases. Collectively, this study identifies points of integration between myeloid cell biology in TB granulomas and other lung diseases that can be used for defining the signals that instruct myeloid cell behavior in TB and other diseases, as well as advance myeloid cell-targeted therapies.

Abstract Background Non-human primates (NHP) are desirable as animal models of human disease because they share behavioral, physiological, and genomic traits with people. Hence, NHP recapitulate manifestations of disease not observed in other animal species. The Macaca fascicularis (i.e., Cynomolgus macaque) is an NHP species extensively used for biomedical research, but the TCR repertoire hasn’t been characterized yet. Result We used the genomic sequences to design primers to identify the expressed TCR repertoire by single cell RNAseq. The data analysis from 22 unique samples were used to assign a functional status to each TCR genes. We identified and analyzed the TRA/D, TRB and TRG loci of the Cynomolgus macaque. Conclusion The genomic organization of the Cynomolgus macaque has great similarity with Macaca mulatta (i.e., Rhesus macaque) and they shared >90% sequence similarity with the human TCR repertoire. These data will facilitate the analysis of T cell immunity in Cynomolgus macaques.

Abstract SARS-CoV-2 infection and COVID-19 disease vary with respect to viral variant and host vaccination status. However, how vaccines, emergent variants, and their intersection shift host responses in the human nasal mucosa remains uncharacterized. We and others have shown during the first SARS-CoV-2 wave that a muted nasal epithelial interferon response at the site of infection underlies severe COVID-19. We sought to further understand how upper airway cell subsets and states associate with COVID-19 phenotypes across viral variants and vaccination. Here, we integrated new single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) data from nasopharyngeal swabs collected from 67 adult participants during the Delta and Omicron waves with data from 45 participants collected during the original (Ancestral) wave in our prior study. By characterizing detailed cellular states during infection, we identified changes in epithelial and immune cells that are both unique and shared across variants and vaccination status. By defining SARS-CoV-2 RNA+ cells for each variant, we found that Delta samples had a marked increase in the abundance of viral RNA+ cells. Despite this dramatic increase in viral RNA+ cells in Delta cases, the nasal cellular compositions of Delta and Omicron exhibit greater similarity, driven partly by myeloid subsets, than the Ancestral landscapes associated with specialized epithelial subsets. We found that vaccination prior to infection was surprisingly associated with nasal macrophage recruitment and activation rather than adaptive immune cell signatures. While patients with severe disease caused by Ancestral or Delta variants had muted interferon responses, Omicron-infected patients had equivalent interferon responses regardless of disease severity. Our study defines the evolution of cellular targets and signatures of disease severity in the upper respiratory tract across SARS-CoV-2 variants, and suggests that intramuscular vaccines shape myeloid responses in the nasal mucosa upon SARS-CoV-2 infection.

ABSTRACT Immunological priming – either in the context of prior infection or vaccination – elicits protective responses against subsequent Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) infection. However, the changes that occur in the lung cellular milieu post-primary Mtb infection and their contributions to protection upon reinfection remain poorly understood. Here, using clinical and microbiological endpoints in a non-human primate reinfection model, we demonstrate that prior Mtb infection elicits a long-lasting protective response against subsequent Mtb exposure and that the depletion of CD4 + T cells prior to Mtb rechallenge significantly abrogates this protection. Leveraging microbiologic, PET-CT, flow cytometric, and single-cell RNA-seq data from primary infection, reinfection, and reinfection-CD4 + T cell depleted granulomas, we identify differential cellular and microbial features of control. The data collectively demonstrate that the presence of CD4 + T cells in the setting of reinfection results in a reduced inflammatory lung milieu characterized by reprogrammed CD8 + T cell activity, reduced neutrophilia, and blunted type-1 immune signaling among myeloid cells, mitigating Mtb disease severity. These results open avenues for developing vaccines and therapeutics that not only target CD4 + and CD8 + T cells, but also modulate innate immune cells to limit Mtb disease.