Staphylococcus aureus is a major human pathogen that is associated with diverse types of local and systemic infection characterized by inflammation dominated by polymorphonuclear leukocytes. Staphylococci frequently cause pneumonia, and these clinical isolates often have increased expression of protein A, suggesting that this protein may have a role in virulence. Here we show that TNFR1, a receptor for tumor-necrosis factor-alpha (TNF-alpha) that is widely distributed on the airway epithelium, is a receptor for protein A. We also show that the protein A-TNFR1 signaling pathway has a central role in the pathogenesis of staphylococcal pneumonia.

Eosinophilic esophagitis (EoE) is characterized by esophageal eosinophilia, but the underlying mechanisms promoting eosinophil accumulation remain unclear. David Artis and his colleagues describe a new mouse model of EoE-like disease. The development of EoE-like disease is dependent on thymic stromal lymphopoietin (TSLP) and basophils, whereas inhibition of TSLP or depletion of basophils attenuates established disease. Moreover, individuals with EoE have increased TSLP expression and basophils in the esophagus, suggesting that the TSLP-basophil axis can be targeted in patients with EoE. Eosinophilic esophagitis (EoE) is a food allergy–associated inflammatory disease characterized by esophageal eosinophilia. Current management strategies for EoE are nonspecific, and thus there is a need to identify specific immunological pathways that could be targeted to treat this disease. EoE is associated with polymorphisms in the gene that encodes thymic stromal lymphopoietin (TSLP), a cytokine that promotes allergic inflammation, but how TSLP might contribute to EoE disease pathogenesis has been unclear. Here, we describe a new mouse model of EoE-like disease that developed independently of IgE, but was dependent on TSLP and basophils, as targeting TSLP or basophils during the sensitization phase limited disease. Notably, therapeutic TSLP neutralization or basophil depletion also ameliorated established EoE-like disease. In human subjects with EoE, we observed elevated TSLP expression and exaggerated basophil responses in esophageal biopsies, and a gain-of-function TSLP polymorphism was associated with increased basophil responses in patients with EoE. Together, these data suggest that the TSLP-basophil axis contributes to the pathogenesis of EoE and could be therapeutically targeted to treat this disease.

Barrett's esophagus is a common type of metaplasia and a precursor of esophageal adenocarcinoma. However, the cell states and lineage connections underlying the origin, maintenance, and progression of Barrett's esophagus have not been resolved in humans. To address this, we performed single-cell lineage tracing and transcriptional profiling of patient cells isolated from metaplastic and healthy tissue. Our analysis revealed discrete lineages in Barrett's esophagus, normal esophagus, and gastric cardia. Transitional basal progenitor cells of the gastroesophageal junction were unexpectedly related to both esophagus and gastric cardia cells. Barrett's esophagus was polyclonal, with lineages that contained all progenitor and differentiated cell types. In contrast, precancerous dysplastic foci were initiated by the expansion of a single molecularly aberrant Barrett's esophagus clone. Together, these findings provide a comprehensive view of the cell dynamics of Barrett's esophagus, linking cell states along the full disease trajectory, from its origin to cancer.

ABSTRACT Objective Eosinophilic esophagitis (EoE) is a chronic esophageal inflammatory disorder characterized by eosinophil-rich mucosal inflammation and tissue remodeling. Transcriptional profiling of esophageal biopsies has previously revealed upregulation of type I and II interferon (IFN) response genes. We aim to unravel interactions between immune and epithelial cells and examine functional significance in esophageal epithelial cells. Design We investigated epithelial gene expression from EoE patients using single-cell RNA sequencing and a confirmatory bulk RNA-sequencing experiment of isolated epithelial cells. The functional impact of interferon signaling on epithelial cells was investigated using in vitro organoid models. Results We observe upregulation of interferon response signature genes (ISGs) in the esophageal epithelium during active EoE compared to other cell types, single-cell data, and pathway analyses, identified upregulation in ISGs in epithelial cells isolated from EoE patients. Using an esophageal organoid and air-liquid interface models, we demonstrate that IFN-γ stimulation triggered disruption of esophageal epithelial differentiation, barrier integrity, and induced apoptosis via caspase upregulation. We show that an increase in cleaved caspase-3 is seen in EoE tissue and identify interferon gamma (IFNG) expression predominantly in a cluster of majority-CD8+ T cells with high expression of CD69 and FOS . Conclusion These findings offer insight into the interplay between immune and epithelial cells in EoE. Our data illustrate the relevance of several IFN-γ-mediated mechanisms on epithelial function in the esophagus, which have the potential to impact epithelial function during inflammatory conditions. Key Messages What is already known about this topic: The transcriptome of esophageal biopsy tissue reproducibly distinguishes eosinophilic esophagitis from histologically normal tissue, with evidence of mixed inflammatory signals. Interferon response signature genes are elevated in EoE biopsy tissue compared to controls, suggesting T1 in addition to T2 cytokine signaling within EoE mucosa. What this study adds: We observe reproducible, robust upregulation of interferon signature genes in esophageal epithelium, and we confirm that esophageal epithelium expresses functional IFN-a and IFN-γ receptors. IFN-γ treatment of epithelial organoids has several detrimental effects, including decreased proliferation, organoid formation, and increased caspase activation. Analysis of single-cell RNA-sequencing data from of EoE biopsy tissue during active disease and remission identified that a CD8+ population expressing high levels of FOS, ITGAE, and ITGA1 expresses high levels of IFNG How this study might affect research, practice, or policy: We identify esophageal epithelium as the cellular source for interferon response gene signature in EoE and a CD8+ tissue-resident memory T-cell population was the main source of IFNG . Further mechanistic studies are required to identify how non-T2 signaling mechanisms like IFN-γ signaling contribute to EoE pathogenesis, and if this pathway can be targeted as an adjunctive therapy for EoE.

Financial Support and Acknowledgements Support for this project was provided through a research training grant as part of the Consortium of Eosinophilic Gastrointestinal Disease Researchers (CEGIR) (U54 AI117804). CEGIR is part of the Rare Disease Clinical Research Network (RDCRN), an initiative of the Office of Rare Diseases Research (ORDR), NCATS, and is funded through collaboration between NIAID, NIDDK, and NCATS. CEGIR is also supported by patient advocacy groups including APFED CURED and EFC. This project also received support from NIH T32 DK007634 (CCR). Author Disclosers Patricia Fulkerson: Grant funding from the NIH; Consultant for Genentech, Inc; Research support from Knopp Biosciences, LLC. Gary Falk: Research support from Shire, Celgene, Adare, Regeneron. Consulting for Shire Jonathan M. Spergel: Consultant for Regeneron, DBV Technology, Kaleo; Grant funding from DBV Technology, Aimmune Therapeutics, Food Allergy Research Education; Royalties from UpToDate Nirmala Gonsalves: Royalties from UpToDate; Advisory board for Allakos Sandeep K Gupta: Consultant for Alkalos, Abbott, QOL, Receptos; research support from Shire Glenn Furuta: Founder of EnteroTrack; Consultant for Shire; Royalties from UpToDate Marc E. Rothenberg: Consultant for Pulm One, Spoon Guru, ClostraBio, Celgene, Shire, Astra Zeneca, GlaxoSmithKline, Allakos, Adare, Regeneron and Novartis and has an equity interest in the first four listed and Immune Pharmaceuticals, and royalties from reslizumab (Teva Pharmaceuticals), PEESSv2 (Mapi Research Trust) and UpToDate. M.E.R. is an inventor of patents owned by Cincinnati Children’s. Evan Dellon: Consultant for Adare, Allakos, Alivio, Banner, Celgen/Receptos, Enumeral, GSK, Regeneron, Shire; Research funding from Adare, Celegene/Receptos, Miraca, Meritage, Nutricia, Regeneron, Shire, Educational grant from Banner, Holoclara Study Highlights What is current knowledge? Eosinophilic gastrointestinal disorders (EGIDs) include eosinophilic esophagitis (EoE), eosinophilic gastritis (EG), gastroenteritis (EGE), and colitis (EC). Non-EoE EGIDs are rare with most studies limited to case reports or review of single center experiences. There are no widely established guidelines for the diagnosis of EG, EGE, or EC. What is new here? In this multicenter study, EG, EGE, and EC were all diagnosed with increasing frequency over the past decade. Presenting symptoms are non-specific and do not reliably distinguish between disorders. There was no male predominance and the majority of subjects had atopy. Co-occurrence of EG, EGE, and EC diagnoses is common, seen in 41% of patients. There is substantial variability between centers in initial treatment approaches.

ABSTRACT Stratified squamous epithelium of the esophagus is comprised of basal keratinocytes that execute a terminal differentiation program in overlying suprabasal and superficial cell layers. Although morphologic progression coupled with expression of specific molecular markers has been characterized along the esophageal epithelial differentiation gradient, the molecular heterogeneity within the cell types along this trajectory has yet to be classified at the level of single cell resolution. To explore the molecular characteristics of esophageal keratinocytes along the squamous differentiation continuum, we performed single cell RNA-Sequencing transcriptomic profiling of 7,972 cells from murine esophageal epithelial sheets. We identified 8 distinct cell clusters in esophageal epithelium, unveiling an unexpected level of diversity, particularly among basal cells. We further mapped the cellular pathways and lineage trajectories within basal, suprabasal, and superficial clusters as well as within the heterogeneous basal cell populations, providing a comprehensive molecular view of esophageal epithelial cells in the context of squamous differentiation. Finally, we explored the impact of tissue aging upon esophageal epithelial cell clusters and demonstrated that mitochondrial dysfunction is a feature of aging in normal esophageal epithelium. These studies provide an unparalleled molecular perspective on murine esophageal keratinocytes that will serve as a valuable resource for dissecting cell type-specific roles in esophageal biology under conditions of homeostasis, aging, and tissue pathology.

Background: A key concept of the hygiene hypothesis is that the microbiome modulates both epithelial barrier integrity as well as host immune responses. Defective expression of tight junction complex proteins alters this homeostatic process, and plays a role in atopic disorders including eosinophilic esophagitis. We tested the hypothesis that Toll-like receptor 2 (TLR2) stimulation improves esophageal barrier function in a cell-intrinsic manner by upregulation of TJ-protein expression using an in vitro model of human epithelium. Methods: Pattern recognition receptor expression was assessed in esophageal epithelial cells from patients with EoE and non-EoE control patients. Functional consequences of TLR2 stimulation were investigated using human esophageal EPC2-hTERT cells in the three-dimensional air-liquid interface culture (ALI) model to evaluate transepithelial electrical resistance (TEER) and FITC-Dextran permeability. Characterization of TLR2-stimulated ALI cultures was performed by histology, immunohistochemistry, western blotting and chromatin immunoprecipitation. Results: TLR2 stimulation increased TEER (1.28 to 1.31-fold) and decreased paracellular permeability to FITC-Dextran. Notably, TLR2 stimulation-induced increases in TEER were abolished by treatment with anti-TLR2 blocking antibody. Tight junction complex proteins claudin 1 and zonula occludens 1 were increased following TLR2 stimulation, and chromatin immunoprecipitation analysis demonstrated significant increase in histone 4 acetyl binding at the CLDN1 enhancer and promoter following zymosan treatment, implying the occurrence of durable chromatin changes in the esophageal epithelium. Conclusions: Our findings reveal that the TLR2 pathway may play a regulatory role as a mechanism that maintains epithelial barrier homeostasis in the esophagus.

Autophagy has been demonstrated to play roles in esophageal pathologies both benign and malignant. Here, we aim to define the role of autophagy in esophageal epithelium under homeostatic conditions.We generated tamoxifen-inducible, squamous epithelial-specific Atg7 (autophagy related 7) conditional knockout mice to evaluate effects on esophageal homeostasis and response to the carcinogen 4-nitroquinoline 1-oxide (4NQO) using histological and biochemical analyses. We FACS sorted esophageal basal cells based upon fluorescence of the autophagic vesicle (AV)-identifying dye Cyto-ID, then subjected these cells to transmission electron microscopy, image flow cytometry, 3D organoid assays, RNA-Sequencing (RNA-Seq), and cell cycle analysis. 3D organoids were subjected to passaging, single cell (sc) RNA-Seq, cell cycle analysis, and immunostaining.Genetic autophagy inhibition in squamous epithelium resulted in increased proliferation of esophageal basal cells. Esophageal basal cells with high AV level (Cyto-ID High ) displayed limited organoid formation capability upon initial plating but passaged more efficiently than their counterparts with low AV level (Cyto-ID Low ). RNA-Seq suggested increased autophagy in Cyto- ID High esophageal basal cells along with decreased cell cycle progression, the latter of which was confirmed by cell cycle analysis. scRNA-Seq of 3D organoids generated by Cyto-ID Low and Cyto- ID High cells identified expansion of 3 cell populations, enrichment of G2/M-associated genes, and aberrant localization of cell cycle-associated genes beyond basal cell populations in the Cyto- ID High group. Ki67 expression was also increased in organoids generated by Cyto-ID High cells, including in cells beyond the basal cell layer. Squamous epithelial-specific autophagy inhibition induced significant weight loss in mice treated with 4NQO that further displayed perturbed epithelial tissue architecture.High AV level identifies esophageal epithelium with limited proliferation and enhanced self-renewal capacity that contributes to maintenance of the esophageal proliferation- differentiation gradient in vivo .

Abstract Background & Aims Epithelial disruption in eosinophilic esophagitis (EoE) encompasses both impaired differentiation and diminished barrier integrity. We have shown that lysyl oxidase (LOX), a collagen cross-linking enzyme, is upregulated in the esophageal epithelium in EoE. However, the functional roles of LOX in the esophageal epithelium remains unknown. Methods We investigated roles for LOX in the human esophageal epithelium using 3-dimensional organoid and air-liquid interface cultures stimulated with interleukin (IL)-13 to recapitulate the EoE inflammatory milieu, followed by single-cell RNA sequencing, quantitative reverse transcription-polymerase chain reaction, western blot, histology, and functional analyses of barrier integrity. Results Single-cell RNA sequencing analysis on patient-derived organoids revealed that LOX was induced by IL-13 in differentiated cells. LOX-overexpressing organoids demonstrated suppressed basal and upregulated differentiation markers. Additionally, LOX overexpression enhanced junctional protein genes and transepithelial electrical resistance. LOX overexpression restored the impaired differentiation and barrier function, including in the setting of IL-13 stimulation. Transcriptome analyses on LOX-overexpressing organoids identified enriched bone morphogenetic protein (BMP) signaling pathway compared to wild type organoids. Particularly, LOX overexpression increased BMP2 and decreased BMP antagonist follistatin. Finally, we found that BMP2 treatment restored the balance of basal and differentiated cells. Conclusions Our data support a model whereby LOX exhibits non-canonical roles as a signaling molecule important for epithelial homeostasis in the setting of inflammation via activation of BMP pathway in esophagus. The LOX/BMP axis may be integral in esophageal epithelial differentiation and a promising target for future therapies.

Abstract Background Esophageal organoids from a variety of pathologies including cancer are grown in Advanced Dulbecco’s Modified Eagle Medium-Nutrient Mixture F12 (hereafter ADF). However, the currently available ADF-based formulations are suboptimal for normal human esophageal organoids, limiting the ability to compare normal esophageal organoids with those representing a given disease state. Methods We have utilized immortalized normal human esophageal epithelial cell (keratinocyte) lines EPC1 and EPC2 and endoscopic normal esophageal biopsies to generate three-dimensional (3D) organoids. To optimize ADF-based medium, we evaluated the requirement of exogenous epidermal growth factor (EGF) and inhibition of transforming growth factor-(TGF)-β receptor-mediated signaling, both key regulators of proliferation of human esophageal keratinocytes. We have modeled human esophageal epithelial pathology by stimulating esophageal 3D organoids with interleukin (IL)-13, an inflammatory cytokine, or UAB30, a novel pharmacological activator of retinoic acid signaling. Results The formation of normal human esophageal 3D organoids was limited by excessive EGF and intrinsic TGFβ receptor-mediated signaling. In optimized HOME0, normal human esophageal organoid formation was improved, whereas IL-13 and UAB30 induced epithelial changes reminiscent of basal cell hyperplasia, a common histopathologic feature in broad esophageal disease conditions including eosinophilic esophagitis. Conclusions: HOME0 allows modeling of the homeostatic differentiation gradient and perturbation of the human esophageal epithelium while permitting a comparison of organoids from mice and other organs grown in ADF-based media.