Abstract Single-cell technologies have transformed our understanding of human tissues. Yet, studies typically capture only a limited number of donors and disagree on cell type definitions. Integrating many single-cell datasets can address these limitations of individual studies and capture the variability present in the population. Here we present the integrated Human Lung Cell Atlas (HLCA), combining 49 datasets of the human respiratory system into a single atlas spanning over 2.4 million cells from 486 individuals. The HLCA presents a consensus cell type re-annotation with matching marker genes, including annotations of rare and previously undescribed cell types. Leveraging the number and diversity of individuals in the HLCA, we identify gene modules that are associated with demographic covariates such as age, sex and body mass index, as well as gene modules changing expression along the proximal-to-distal axis of the bronchial tree. Mapping new data to the HLCA enables rapid data annotation and interpretation. Using the HLCA as a reference for the study of disease, we identify shared cell states across multiple lung diseases, including SPP1 + profibrotic monocyte-derived macrophages in COVID-19, pulmonary fibrosis and lung carcinoma. Overall, the HLCA serves as an example for the development and use of large-scale, cross-dataset organ atlases within the Human Cell Atlas.

Abstract Fibroblast to myofibroblast conversion is a major driver of tissue remodeling in organ fibrosis. Several distinct lineages of fibroblasts support homeostatic tissue niche functions, yet, specific activation states and phenotypic trajectories of fibroblasts during injury and repair have remained unclear. Here, we combined spatial transcriptomics, longitudinal single-cell RNA-seq and genetic lineage tracing to study fibroblast fates during mouse lung regeneration. We discovered a transitional fibroblast state characterized by high Sfrp1 expression, derived from both Tcf21-Cre lineage positive and negative cells. Sfrp1+ cells appeared early after injury in peribronchiolar, adventitial and alveolar locations and preceded the emergence of myofibroblasts. We identified lineage specific paracrine signals and inferred converging transcriptional trajectories towards Sfrp1+ transitional fibroblasts and Cthrc1+ myofibroblasts. Tgfβ1 downregulated Sfrp1 in non-invasive transitional cells and induced their switch to an invasive Cthrc1+ myofibroblast identity. Finally, using loss of function studies we showed that autocrine Sfrp1 directly inhibits fibroblast invasion by regulating the RhoA pathway. In summary, our study reveals the convergence of spatially and transcriptionally distinct fibroblast lineages into transcriptionally uniform myofibroblasts and identifies Sfrp1 as an autocrine inhibitor of fibroblast invasion during early stages of fibrogenesis.

Summary The lung contains numerous specialized cell-types with distinct roles in tissue function and integrity. To clarify the origins and mechanisms generating cell heterogeneity, we created a first comprehensive topographic atlas of early human lung development. We report 83 cell states, several spatially-resolved developmental trajectories and predict cell interactions within defined tissue niches. We integrated scRNA-Seq and spatial transcriptomics into a web-based, open platform for interactive exploration. To illustrate the utility of our approach we show distinct states of secretory and neuroendocrine cells, largely overlapping with the programs activated either during lung fibrosis or small cell lung cancer progression. We define the origin of uncharacterized airway fibroblasts associated with airway smooth muscle in bronchovascular bundles, and describe a trajectory of Schwann cell progenitors to intrinsic parasympathetic neurons controlling bronchoconstriction. Our atlas provides a rich resource for further research and a reference for defining deviations from homeostatic and repair mechanisms leading to pulmonary diseases.

ABSTRACT Fibroblast growth factor receptor 2b (Fgfr2b) signaling is essential throughout lung development to form the alveolar epithelial lineage. However, its role in alveolar epithelial type 2 cells (AT2s) homeostasis was recently considered dispensable. SftpcCreERT2; tdTomato flox/flox mice were used to delete Fgfr2b expression in cells belonging to the AT2 lineage, which contains mature AT2s and a novel SftpcLow lineage-traced population called “injury activated alveolar progenitors” or IAAPs. Upon continuous tamoxifen exposure for either one or two weeks to delete Fgfr2b , a shrinking of the AT2s is observed. Mature AT2s exit the cell cycle, undergo apoptosis and fail to form alveolospheres in vitro. However, the lung morphometry appears normal, suggesting the involvement of compensatory mechanisms. In mutant lungs, IAAPs which escaped Fgfr2b deletion expand, display enhanced alveolosphere formation in vitro and increase drastically their AT2 signature suggesting differentiation towards mature AT2s. Interestingly, a significant increase in AT2s and decrease in IAPPs occurs after a one-week tamoxifen exposure followed by an eight-week chase period. While mature AT2s partially recover their alveolosphere formation capabilities, the IAAPs no longer display this property. Single-cell RNA seq analysis confirms that AT2s and IAAPs represent stable and distinct cell populations and recapitulate some of their characteristics observed in vivo. Our results underscore the essential role played by Fgfr2b signaling in the maintenance of the AT2 lineage in the adult lung and suggest that the IAAPs could represent a new population of AT2 progenitors.

Knowledge on the cell types and cell-specific gene expression of multicellular pathogens facilitates drug discovery and allows gaining a deeper understanding of pathogen biology. By utilizing single-cell RNA sequencing (scRNA-seq), we analyzed 19,581 cells of a globally prevalent parasitic flatworm, the liver fluke Fasciola hepatica, which causes a neglected tropical disease and zoonosis known as fascioliasis. We identified 15 distinct clusters, including cells of the reproductive tract and gastrodermis, and report the identification and transcriptional characterization of potential differentiation lineages of stem cells within this parasite. Furthermore, a previously unrecognized ELF5- and TRPMPZQ-expressing muscle cell type was discovered, characterized by high expression of protein kinases. Among these, the p21-activated kinase PAK4 was essential for parasite survival. These data provide novel insight into the cellular composition of a complex multicellular parasite and demonstrate how gene expression at single-cell resolution can serve as a resource for the identification of new drug targets.

Abstract Secretory cells are major structural and functional constituents of the lung airways. Their spatial organization and specification mechanisms are partially understood. Here, we labelled major secretory airway cell types and analysed them at single-cell resolution. We found opposing, partially overlapping gene-expression gradients along the proximal-distal airway axis superimposed on a general gene program encoding detoxification. One graded program is elevated proximally and relates to innate immunity, whereas the other is enriched distally, encoding lipid metabolism and antigen presentation. Intermediately positioned cells express low levels of both graded programs and show increased clonogenic potency in vitro, relating cell-plasticity to location in each branch. Single-cell RNA-sequencing following lineage-tracing revealed the sequential and postnatal establishment of the gradients in common epithelial progenitors. Fgfr2b is distally enriched and its postnatal inactivation reduces distal gene expression and expands proximal genes into distally located cells. This suggests a central role of FGFR-signaling in tissue-scale airway patterning.

Changes in cell identities and positions underlie tissue development and disease progression. Although, single-cell mRNA sequencing (scRNA-Seq) methods rapidly generate extensive lists of cell-states, spatially resolved single-cell mapping presents a challenging task. We developed SCRINSHOT ( S ingle C ell R esolution IN S itu H ybridization O n T issues), a sensitive, multiplex RNA mapping approach. Direct hybridization of padlock probes on mRNA is followed by circularization with SplintR ligase and rolling circle amplification (RCA) of the hybridized padlock probes. Sequential detection of RCA-products using fluorophore-labeled oligonucleotides profiles thousands of cells in tissue sections. We evaluated SCRINSHOT specificity and sensitivity on murine and human organs. SCRINSHOT quantification of marker gene expression shows high correlation with published scRNA-Seq data over a broad range of gene expression levels. We demonstrate the utility of SCRISHOT by mapping the locations of abundant and rare cell types along the murine airways. The amenability, multiplexity and quantitative qualities of SCRINSHOT facilitate single cell mRNA profiling of cell-state alterations in tissues under a variety of native and experimental conditions.

Abstract The tracheal epithelium is a primary target for pulmonary diseases as it provides a conduit for air flow between the environment and the lung lobes. The cellular and molecular mechanisms underlying airway epithelial cell proliferation and differentiation remain poorly understood. Hedgehog (Hh) signaling orchestrates communication between epithelial and mesenchymal cells in the lung, where it modulates stromal cell proliferation, differentiation and signaling back to the epithelium. Here, we reveal a new, autocrine function of Hh signaling in airway epithelial cells. Epithelial cell depletion of the ligand Sonic hedgehog (SHH) or its effector Smoothened (SMO) causes defects in both epithelial cell proliferation and differentiation. In cultured primary human airway epithelial cells, Hh signaling inhibition also hampers cell proliferation and differentiation. Epithelial Hh function is mediated, at least in part, through transcriptional activation as Hh signaling inhibition leads to downregulation of cell-type specific transcription factor genes in both the mouse trachea and human airway epithelial cells. These results provide new insights into the role of Hh signaling in epithelial cell proliferation and differentiation during airway development.

Abstract Spatially resolved transcriptomics (SRT) has enabled precise genome-wide mRNA expression profiling within tissue sections. The performance of unbiased SRT methods targeting the polyA tail of mRNA, relies on the availability of specimens with high RNA quality. Moreover, the high cost of currently available SRT assays requires a careful sample screening process to increase the chance of obtaining high-quality data. Indeed, the upfront analysis of RNA quality can show considerable variability due to sample handling, storage, and/or intrinsic factors. We present RNA-Rescue Spatial Transcriptomics (RRST), an SRT workflow designed to improve mRNA recovery from fresh frozen (FF) specimens with moderate to low RNA quality. First, we provide a benchmark of RRST against the standard Visium spatial gene expression protocol on high RNA quality samples represented by mouse brain and prostate cancer samples. Then, we demonstrate the RRST protocol on tissue sections collected from 5 challenging tissue types, including: human lung, colon, small intestine, pediatric brain tumor, and mouse bone/cartilage. In total, we analyzed 52 tissue sections and our results demonstrate that RRST is a versatile, powerful, and reproducible protocol for FF specimens of different qualities and origins.

Abstract The acquisition of distinct branch sizes and shapes is a central aspect in tubular organ morphogenesis and function. In the Drosophila airway tree, the interplay of apical ECM components with the underlying membrane and cytoskeleton controls tube elongation, but the link between ECM composition with apical membrane morphogenesis and tube size regulation is elusive. Here, we characterized Emp (epithelial membrane protein), a Drosophila CD36-homologue belonging to the scavenger receptor class B protein-family. emp mutant embryos fail to internalize the luminal chitin deacetylases Serp and Verm at the final stages of airway maturation and die at hatching with liquid filled airways. Emp localizes in apical epithelial membranes and shows cargo selectivity for LDLr-domain containing proteins. emp mutants also display over elongated tracheal tubes with increased levels of the apical proteins Crb, DE-cad and phosphorylated Src (p-Src). We show that Emp associates and organizes the βH-Spectrin cytoskeleton and is itself confined by apical F-actin bundles. Overexpression or loss of its cargo protein Serp lead to abnormal apical accumulations of Emp and perturbations in p-Src levels. We propose that during morphogenesis, Emp senses and responds to luminal cargo levels by initiating apical membrane endocytosis along the longitudinal tube axis and thereby restricts airway elongation.