Abstract The SARS-CoV-2 novel coronavirus global pandemic (COVID-19) has led to millions of cases and hundreds of thousands of deaths around the globe. While the elderly appear at high risk for severe disease, hospitalizations and deaths due to SARS-CoV-2 among children have been relatively rare. Integrating single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) of the developing mouse lung with temporally-resolved RNA-in-situ hybridization (ISH) in mouse and human lung tissue, we found that expression of SARS-CoV-2 Spike protein primer TMPRSS2 was highest in ciliated cells and type I alveolar epithelial cells (AT1), and TMPRSS2 expression was increased with aging in mice and humans. Analysis of autopsy tissue from fatal COVID-19 cases revealed SARS-CoV-2 RNA was detected most frequently in ciliated and secretory cells in the airway epithelium and AT1 cells in the peripheral lung. SARS-CoV-2 RNA was highly colocalized in cells expressing TMPRSS2. Together, these data demonstrate the cellular spectrum infected by SARS-CoV-2 in the lung epithelium, and suggest that developmental regulation of TMPRSS2 may underlie the relative protection of infants and children from severe respiratory illness.

Abstract During alveolar repair, alveolar type 2 (AT2) epithelial cell progenitors rapidly proliferate and differentiate into flat type 1 alveolar epithelial cells. Failure of normal alveolar repair mechanisms can lead to loss of alveolar structure (emphysema) or development of fibrosis, depending on the type and severity of injury. To test if β1-containing integrins are required during repair following acute injury, we administered E. coli lipopolysaccharide (LPS) by intratracheal injection to mice with a post-developmental deletion of β1 integrin in AT2 cells. While control mice recovered from LPS injury without structural abnormalities, β1-deficient mice had more severe inflammation and developed emphysema. In addition, recovering alveoli were repopulated with an abundance of rounded epithelial cells co-expressing type 2, type 1, and mixed intermediate cell state markers, with few mature type 1 cells. β1-deficient AT2 cells showed persistently increased proliferation after injury, which was blocked by inhibiting NF-κB activation in these cells. Lineage tracing experiments revealed that β1-deficient AT2 cells failed to differentiate into mature type 1 alveolar epithelial cells. Together, these findings demonstrate that functional alveolar repair after injury with terminal alveolar epithelial differentiation requires β1-containing integrins.

Summary Lung organogenesis requires precisely timed shifts in the spatial organization and function of parenchymal cells, especially during the later stages of lung development. To investigate the mechanisms governing lung parenchymal dynamics during development, we performed a single cell RNA sequencing (scRNA-seq) time-series yielding 92,238 epithelial, endothelial, and mesenchymal cells across 8 time points from embryonic day 12 (E12) to postnatal day 14 (P14) in mice. We combined new computational analyses with RNA in situ hybridization to explore transcriptional velocity, fate likelihood prediction, and spatiotemporal localization of cell populations during the transition between the saccular and alveolar stages. We interrogated this atlas to illustrate the complexity of type 1 pneumocyte function during the saccular and alveolar stages, and we demonstrate an integrated view of the cellular dynamics during lung development.