Abstract The worldwide spread of severe acute respiratory syndrome-related coronavirus-2 (SARS-CoV-2) caused an urgent need for an in-depth understanding of interactions between the virus and its host. Here, we dissected the dynamics of virus replication and the host cell transcriptional response to SARS-CoV-2 infection at a systems level by combining time-resolved RNA sequencing with mathematical modeling. We observed an immediate transcriptional activation of inflammatory pathways linked to the anti-viral response followed by increased expression of genes involved in ribosome and mitochondria function, thus hinting at rapid alterations in protein production and cellular energy supply. At later stages, metabolic processes, in particular those depending on cytochrome P450 enzymes, were downregulated. To gain a deeper understanding of the underlying transcriptional dynamics, we developed an ODE model of SARS-CoV-2 infection and replication. Iterative model reduction and refinement revealed that a negative feedback from virus proteins on the expression of anti-viral response genes was essential to explain our experimental dataset. Our study provides insights into SARS-CoV-2 virus-host interaction dynamics and facilitates the identification of druggable host pathways supporting virus replication.

The intimate relationship between the epithelium and immune system is crucial for maintaining tissue homeostasis, with perturbations therein linked to autoimmune disease and cancer1–3. Whereas stem cell-derived organoids are powerful models of epithelial function4, they lack tissue-resident immune cells that are essential for capturing organ-level processes. We describe human intestinal immuno-organoids (IIOs), formed through self-organization of epithelial organoids and autologous tissue-resident memory T (TRM) cells, a portion of which integrate within the epithelium and continuously survey the barrier. TRM cell migration and interaction with epithelial cells was orchestrated by TRM cell-enriched transcriptomic programs governing cell motility and adhesion. We combined IIOs and single-cell transcriptomics to investigate intestinal inflammation triggered by cancer-targeting biologics in patients. Inflammation was associated with the emergence of an activated population of CD8+ T cells that progressively acquired intraepithelial and cytotoxic features. The appearance of this effector population was preceded and potentiated by a T helper-1-like CD4+ population, which initially produced cytokines and subsequently became cytotoxic itself. As a system amenable to direct perturbation, IIOs allowed us to identify the Rho pathway as a new target for mitigation of immunotherapy-associated intestinal inflammation. Given that they recapitulate both the phenotypic outcomes and underlying interlineage immune interactions, IIOs can be used to study tissue-resident immune responses in the context of tumorigenesis and infectious and autoimmune diseases. We combined human intestinal immuno-organoids and single-cell transcriptomics to investigate intestinal inflammation triggered by cancer-targeting biologics, which was associated with an activated population of CD8+ T cells that progressively acquired intraepithelial and cytotoxic features.

3D cell cultures enable the in vitro study of dynamic biological processes such as the cell cycle, but their use in high-throughput screens remains impractical with conventional fluorescent microscopy. Here, we present a screening workflow for the automated evaluation of mitotic phenotypes in 3D cell cultures by light-sheet microscopy. After sample preparation by a liquid handling robot, three-dimensional cell spheroids are imaged for 24 hours in toto with a dual inverted selective plane illumination (diSPIM) microscope with a much improved signal-to-noise ratio, higher imaging speed, isotropic resolution and reduced light exposure compared to a spinning disc confocal microscope. A dedicated high-content image processing pipeline implements convolutional neural network based phenotype classification. We illustrate the potential of our approach by siRNA knock-down and epigenetic modification of 28 mitotic target genes for assessing their phenotypic role in mitosis. By rendering light-sheet microscopy operational for high-throughput screening applications, this workflow enables target gene characterization or drug candidate evaluation in tissue-like 3D cell culture models.

The intimate relationship between the epithelium and the immune system is crucial for maintaining tissue homeostasis, with perturbations in epithelial-immune interactions linked to autoimmune disease and cancer. Whereas stem cell-derived organoids are powerful models of tissue-specific epithelial function, these structures lack tissue-resident immune cells that are essential for capturing organ-level processes. We describe human intestinal immuno-organoids (IIOs), formed through self-organization of epithelial organoids and autologous tissueresident lymphocytes (TRMs), a portion of which integrate within the IIO epithelium and survey the barrier. IIO formation was driven by TRM migration and interaction with epithelial cells, as orchestrated by TRM- enriched transcriptomic programs governing cell motility and epithelial inspection. We combined IIOs and single-cell transcriptomics to investigate intestinal inflammation triggered by cancer-targeting biologics in patients, and found that the system recapitulates clinical outcomes and the underlying cellular mechanisms. Inflammation was associated with the emergence of an activated population of CD8+ T cells, which progressively acquired intraepithelial and cytotoxic features. The appearance of this effector population was preceded and likely mediated by a Th1- like CD4+ population, which initially displayed a cytokine producing character and subsequently became cytotoxic itself. A system amenable to direct perturbation and interrogation, IIOs allowed us to identify the Rho pathway as a novel target for mitigating immunotherapy-associated intestinal inflammation. Given that they recapitulate both the phenotypic outcomes and the underlying inter-lineage immune interactions, IIOs can be used to broadly study tissue-resident immune responses in the context of tumorigenesis, infectious and autoimmune diseases.

Human stem cells can generate complex, multicellular epithelial tissues of endodermal origin in vitro that recapitulate aspects of developing and adult human physiology. These tissues, also called organoids, can be derived from pluripotent stem cells or tissue-resident fetal and adult stem cells. However, it has remained difficult to understand the precision and accuracy of organoid cell states through comparison with primary counterparts, and to comprehensively assess the similarity and differences between organoid protocols. Advances in computational single-cell biology now allow the integration of datasets with high technical variability. Here, we integrate single-cell transcriptomes from 218 samples covering organoids of diverse endoderm-derived tissues including lung, pancreas, intestine, liver, biliary system, stomach, and prostate to establish an initial version of a human endoderm organoid cell atlas (HEOCA). The integration includes nearly one million cells across diverse conditions, data sources and protocols. We align and compare cell types and states between organoid models, and harmonize cell type annotations by mapping the atlas to primary tissue counterparts. To demonstrate utility of the atlas, we focus on intestine and lung, and clarify ontogenic cell states that can be modeled in vitro. We further provide examples of mapping novel data from new organoid protocols to expand the atlas, and showcase how integrating organoid models of disease into the HEOCA identifies altered cell proportions and states between healthy and disease conditions. The atlas makes diverse datasets centrally available, and will be valuable to assess organoid fidelity, characterize perturbed and diseased states, and streamline protocol development.