ABSTRACT Skin is our outer permeability and immune defense barrier against myriad external assaults. Aryl hydrocarbon receptor (AhR) senses environmental factors and regulates barrier robustness and immune homeostasis. AhR agonist is in clinical trial for atopic dermatitis (AD) treatment, but the underlying mechanism of action remains ill-defined. Here we report OVOL1/Ovol1 as a conserved and direct transcriptional target of AhR in epidermal keratinocytes. We show that OVOL1/Ovol1 impacts AhR regulation of keratinocyte gene expression, and Ovol1 deletion in keratinocytes hampers AhR’s barrier promotion function and worsens AD-like inflammation. Mechanistically, we identify Ovol1’s direct downstream targets genome-wide, and provide in vivo evidence for Id1’s critical role in barrier maintenance and disease suppression. Furthermore, our findings reveal an IL-1/dermal γδT cell axis exacerbating both type 2 and type 3 immune responses downstream of barrier perturbation in Ovol1 -deficient AD skin. Finally, we present data suggesting the clinical relevance of OVOL1 and ID1 function in human AD. Our study highlights a keratinocyte-intrinsic AhR-Ovol1-Id1 regulatory axis that promotes both epidermal and immune homeostasis against AD-like inflammation, implicating new therapeutic targets for AD.

The mammary epithelial cell (MEC) system is a bi-layered ductal epithelial network consisting of luminal and basal cells, which is maintained by a lineage of stem and progenitor cell populations. Here, we used integrated single-cell transcriptomics and chromatin accessibility analysis to reconstruct the cell types of the mouse MEC system and their underlying gene regulatory features in an unbiased manner. We define previously unrealized differentiation states within the secretory type of luminal cells, which can be divided into distinct clusters of progenitor and mature secretory cells. By integrating single-cell transcriptomics and chromatin accessibility landscapes, we identified novel cis- and trans-regulatory elements that are differentially activated in the specific epithelial cell types and our newly defined luminal differentiation states. Our work provides an unprecedented resource to reveal novel cis/trans regulatory elements associated with MEC identity and differentiation that will serve as a valuable reference to determine how the chromatin accessibility landscape changes during breast cancer.

Our knowledge of transcriptional heterogeneities in epithelial stem/progenitor cell compartments is limited. Epidermal basal cells sustain cutaneous tissue maintenance and drive wound healing. Previous studies have probed basal cell heterogeneity in stem/progenitor potential, but a non-biased dissection of basal cell dynamics during differentiation is lacking. Using single-cell RNA-sequencing coupled with RNAScope and fluorescence lifetime imaging, we identify three non-proliferative and one proliferative basal cell transcriptional states in homeostatic skin that differ in metabolic preference and become spatially partitioned during wound re-epithelialization. Pseudotemporal trajectory and RNA velocity analyses produce a quasi-linear differentiation hierarchy where basal cells progress from Col17a1high/Trp63high state to early response state, proliferate at the juncture of these two states, or become growth arrested before differentiating into spinous cells. Wound healing induces plasticity manifested by dynamic basal-spinous interconversions at multiple basal states. Our study provides a systematic view of epidermal cellular dynamics supporting a revised hierarchical-lineage model of homeostasis.