Abstract The cellular landscape of the human intestinal tract is dynamic throughout life, developing in utero and changing in response to functional requirements and environmental exposures. Here, to comprehensively map cell lineages, we use single-cell RNA sequencing and antigen receptor analysis of almost half a million cells from up to 5 anatomical regions in the developing and up to 11 distinct anatomical regions in the healthy paediatric and adult human gut. This reveals the existence of transcriptionally distinct BEST4 epithelial cells throughout the human intestinal tract. Furthermore, we implicate IgG sensing as a function of intestinal tuft cells. We describe neural cell populations in the developing enteric nervous system, and predict cell-type-specific expression of genes associated with Hirschsprung’s disease. Finally, using a systems approach, we identify key cell players that drive the formation of secondary lymphoid tissue in early human development. We show that these programs are adopted in inflammatory bowel disease to recruit and retain immune cells at the site of inflammation. This catalogue of intestinal cells will provide new insights into cellular programs in development, homeostasis and disease.

We analyzed DNA methylation patterns and transcriptomes of primary intestinal epithelial cells (IEC) of children newly diagnosed with inflammatory bowel diseases (IBD) to learn more about pathogenesis.We obtained mucosal biopsies (N = 236) collected from terminal ileum and ascending and sigmoid colons of children (median age 13 years) newly diagnosed with IBD (43 with Crohn's disease [CD], 23 with ulcerative colitis [UC]), and 30 children without IBD (controls). Patients were recruited and managed at a hospital in the United Kingdom from 2013 through 2016. We also obtained biopsies collected at later stages from a subset of patients. IECs were purified and analyzed for genome-wide DNA methylation patterns and gene expression profiles. Adjacent microbiota were isolated from biopsies and analyzed by 16S gene sequencing. We generated intestinal organoid cultures from a subset of samples and genome-wide DNA methylation analysis was performed.We found gut segment-specific differences in DNA methylation and transcription profiles of IECs from children with IBD vs controls; some were independent of mucosal inflammation. Changes in gut microbiota between IBD and control groups were not as large and were difficult to assess because of large amounts of intra-individual variation. Only IECs from patients with CD had changes in DNA methylation and transcription patterns in terminal ileum epithelium, compared with controls. Colon epithelium from patients with CD and from patients with ulcerative colitis had distinct changes in DNA methylation and transcription patterns, compared with controls. In IECs from patients with IBD, changes in DNA methylation, compared with controls, were stable over time and were partially retained in ex-vivo organoid cultures. Statistical analyses of epithelial cell profiles allowed us to distinguish children with CD or UC from controls; profiles correlated with disease outcome parameters, such as the requirement for treatment with biologic agents.We identified specific changes in DNA methylation and transcriptome patterns in IECs from pediatric patients with IBD compared with controls. These data indicate that IECs undergo changes during IBD development and could be involved in pathogenesis. Further analyses of primary IECs from patients with IBD could improve our understanding of the large variations in disease progression and outcomes.

Human gut development requires the orchestrated interaction of differentiating cell types. Here, we generate an in-depth single-cell map of the developing human intestine at 6-10 weeks post-conception. Our analysis reveals the transcriptional profile of cycling epithelial precursor cells; distinct from LGR5-expressing cells. We propose that these cells may contribute to differentiated cell subsets via the generation of LGR5-expressing stem cells and receive signals from surrounding mesenchymal cells. Furthermore, we draw parallels between the transcriptomes of ex vivo tissues and in vitro fetal organoids, revealing the maturation of organoid cultures in a dish. Lastly, we compare scRNA-seq profiles from pediatric Crohn's disease epithelium alongside matched healthy controls to reveal disease-associated changes in the epithelial composition. Contrasting these with the fetal profiles reveals the re-activation of fetal transcription factors in Crohn's disease. Our study provides a resource available at www.gutcellatlas.org, and underscores the importance of unraveling fetal development in understanding disease.

Abstract The cellular landscape of the human intestinal tract is dynamic throughout life, developing in utero and changing in response to functional requirements and environmental exposures. To comprehensively map cell lineages in the healthy developing, pediatric and adult human gut from ten distinct anatomical regions, as well as draining lymph nodes, we used singlecell RNA-seq and VDJ analysis of roughly one third of a million cells. This reveals the presence of BEST4+ absorptive cells throughout the human intestinal tract, demonstrating the existence of this cell type beyond the colon for the first time. Furthermore, we implicate IgG sensing as a novel function of intestinal tuft cells, and link these cells to the pathogenesis of inflammatory bowel disease. We define novel glial and neuronal cell populations in the developing enteric nervous system, and predict cell-type specific expression of Hirschsprung’s disease-associated genes. Finally, using a systems approach, we identify key cell players across multiple cell lineages driving secondary lymphoid tissue formation in early human development. We show that these programs are adopted in inflammatory bowel disease to recruit and retain immune cells at the site of inflammation. These data provide an unprecedented catalogue of intestinal cells, and new insights into cellular programs in development, homeostasis and disease.

ABSTRACT Background & Aims Human intestinal epithelial organoids (IEO) are a powerful tool to model major aspects of intestinal development, health and diseases, as patient derived cultures retain many features found in-vivo . A necessary aspect of the organoid model is the requirement to expand cultures in-vitro through several rounds of passaging. This is of concern, as the passaging of cells has been shown to affect cell morphology, ploidy, and function. In this study, we address concerns around long term passaging of IEO to better characterise and define effects on cell morphology and function. Methods Here we have analysed 173 human IEO from two sampling sites, terminal ileum and sigmoid colon and examined the effect of culture duration on DNA methylation (DNAm), gene expression and cellular function including their response to proinflammatory cytokines and in-vitro cell differentiation. Results Our analyses revealed a major effect of culture duration on DNAm, leading to significant changes at 61,337 loci representing approximately 8% of all CpGs tested. Although global cellular functions such as gut segment-specific gene expression remained stable, a subset of methylation changes correlated with altered gene expression at baseline as well as in response to inflammatory cytokine exposure and in-vitro differentiation. Importantly, epigenetic changes were found to be enriched in genomic regions associated with colonic cancer and distant to the site of replication indicating similarities to malignant transformation. Conclusions Our study reveals culture-associated epigenetic, transcriptomic and functional changes in human mucosa derived IEO and highlights the importance of considering passage number as a potentially confounding factor. Synopsis This work describes cell culture induced changes to DNA methylation, gene expression and cellular function in human IEO. Globally organoids lost DNA methylation with time in culture while DNA methylation also became generally more variable. This work suggests a shifted epigenetic profile in organoids cultured long-term.

Human noroviruses (HuNoV) are a leading cause of viral gastroenteritis worldwide and a significant cause of morbidity and mortality in all age groups. The recent finding that HuNoV can be propagated in B cells and mucosa derived intestinal epithelial organoids (IEOs), has transformed our capability to dissect the life cycle of noroviruses. Using RNA-Seq of HuNoV infected intestinal epithelial cells (IECs), we have found that replication of HuNoV in IECs results in interferon-induced transcriptional responses and that HuNoV replication in IECs is sensitive to IFN. This contrasts with previous studies that suggest that the innate immune response may play no role in the restriction of HuNoV replication in immortalised cells. We demonstrate that the inhibition of JAK1/JAK2 enhances HuNoV replication in IECs. Surprisingly, targeted inhibition of cellular RNA polymerase II-mediated transcription was not detrimental to HuNoV replication, but enhanced replication to a greater degree compared to blocking of JAK signalling directly. Furthermore, we demonstrate for the first time that IECs generated from genetically modified intestinal organoids, engineered to be deficient in the interferon response, are more permissive to HuNoV infection. Together our work identifies the IFN-induced transcriptional responses restrict HuNoV replication in IECs and demonstrates that the inhibition of these responses by modifications to the culture conditions can greatly enhance the robustness of the norovirus culture system.

Organoids are currently one of the most widely used ex vivo models in epithelial biology. Combined with genetic editing strategies, organoids offer a promise of rapid and efficient investigation of gene function in many models of human disease. However, to date, the editing efficiency of organoids with the use of non-viral electroporation methods has been only up to 30%, with implications for the subsequent need for selection including including turnaround time and exhaustion or adaptation of the organoid population. Here, we describe an efficient method of intestinal organoid editing using a Ribonucleoprotein CRISPR-based approach. Editing efficiencies of up to 98% in target genes were robustly achieved across different anatomical gut locations and developmental timepoints from multiple patient samples with no off-target editing. The method allowed us to study the effect of the loss of the tumour suppressor gene, PTEN, in normal human intestinal cells. Analysis of PTEN deficient organoids defined phenotypes that likely relate to its tumour suppressive function in vivo, such as a proliferative advantage and increased organoid budding. Transcriptional profiling revealed differential expression of genes in pathways commonly known to be associated with PTEN loss including mTORC1 activation.

Background & Aims: CD8+ T-cell gene expression has been implicated in the pathogenesis of Inflammatory Bowel Diseases (IBD) and has been shown to correlate with disease outcome in adult patients. Moreover, CD8+ T-cell exhaustion was identified as a contributing mechanism that impacts on disease behaviour. We aimed to explore CD8+ T-cell gene expression and DNA methylation in children newly diagnosed with IBD and test their correlation with disease outcome. Methods: We prospectively recruited 112 children with IBD at the point of diagnosis and 19 non-IBD controls. Follow-up samples were obtained from a subset of patients at 3-month intervals (n=62). CD8+ T-cells were purified from peripheral blood samples using magnetic bead sorting and genome-wide transcriptional (n=192) and DNA methylation (n=66) profiles were generated using Affymetrix and Illumina arrays respectively. Publicly available adult CD8+ T-cell transcriptomes and DNA methylomes were included in data analyses to investigate age dependent differences. Results: Variation amongst CD8+ T-cell transcriptomes obtained from children showed association with disease, systemic inflammation, age and gender, but lacked correlation with disease outcome in pediatric IBD. In contrast to CD8+ T-cell transcriptomes in adult Crohn's Disease (CD), samples from pediatric patients did not show variation within genes forming part of the previously reported prognostic expression or T-cell exhaustion signatures. Pediatric CD patient derived DNA methylation profiles also lacked correlation with disease outcome but in comparison to adult CD8+ methylomes showed a higher predicted proportion of CD8+ naïve T-cells. Conclusions: Our findings indicate age-related differences in IBD pathogenesis and highlight the importance of validating adult clinical biomarkers in pediatric cohorts.

Summary Bats are remarkably resilient to viruses with pandemic potential. To resolve largely unknown molecular mechanisms governing their exceptional antiviral immunity, we established an organoid platform to model the entire respiratory airway and intestinal epithelium of the important viral reservoir species Rousettus aegyptiacus (Egyptian fruit bat). These bat organoids exhibit an unexpected diversity of cell types and support replication of highly pathogenic zoonotic viruses including Marburg virus (MARV) and MERS-Coronavirus. Following virus infection, bat organoids unleash a strong interferon response, uniquely regulated through virus-dependent and virus-independent mechanisms. By contrast, MARV infected human organoids fail to induce an antiviral gene response and express pro-inflammatory cytokines after interferon stimulation, revealing important molecular differences between bats and humans with implications for lethal Marburg virus infections in primates. These data provide the most comprehensive organoid platform in bats to decode species-specific differences and uncover fundamental principles of bat disease resilience to emerging viruses with pandemic potential.