Cellular beauty is skin deep Human skin works as barrier, preventing the entry of pathogens, among other functions. Reynolds et al. used single-cell sequencing to generate an atlas of the human skin from both developing and adult sources, identifying differences and similarities across heterogeneous populations of skin cells. In this atlas, gene expression in the two disease states studied—atopic dermatitis and psoriasis—varied from that in a healthy adult, suggesting that a fetal skin signature is expressed in adult inflamed skin. Furthermore, differences in immune cell composition between healthy fetal and adult skin and that of individuals suffering from disease were observed. Science , this issue p. eaba6500

Here, using single-cell RNA sequencing, we examine the stromal compartment in murine melanoma and draining lymph nodes (LNs) at points across tumor development, providing data at http://www.teichlab.org/data/. Naive lymphocytes from LNs undergo activation and clonal expansion within the tumor, before PD1 and Lag3 expression, while tumor-associated myeloid cells promote the formation of a suppressive niche. We identify three temporally distinct stromal populations displaying unique functional signatures, conserved across mouse and human tumors. Whereas "immune" stromal cells are observed in early tumors, "contractile" cells become more prevalent at later time points. Complement component C3 is specifically expressed in the immune population. Its cleavage product C3a supports the recruitment of C3aR+ macrophages, and perturbation of C3a and C3aR disrupts immune infiltration, slowing tumor growth. Our results highlight the power of scRNA-seq to identify complex interplays and increase stromal diversity as a tumor develops, revealing that stromal cells acquire the capacity to modulate immune landscapes from early disease.

Abstract Common genetic variants modulate the cellular response to viruses and are implicated in a range of immune pathologies, including infectious and autoimmune diseases. The transcriptional antiviral response is known to vary between infected cells from a single individual, yet how genetic variants across individuals modulate the antiviral response (and its cell-to-cell variability) is not well understood. Here, we triggered the antiviral response in human fibroblasts from 68 healthy donors, and profiled tens of thousands of cells using single-cell RNA-seq. We developed GASPACHO (GAuSsian Processes for Association mapping leveraging Cell HeterOgeneity), the first statistical approach designed to identify dynamic eQTLs across a transcriptional trajectory of cell populations, without aggregating single-cell data into pseudo-bulk. This allows us to uncover the underlying architecture and variability of antiviral response across responding cells, and to identify more than two thousands eQTLs modulating the dynamic changes during this response. Many of these eQTLs colocalise with risk loci identified in GWAS of infectious and autoimmune diseases. As a case study, we focus on a COVID-19 susceptibility locus, colocalised with the antiviral OAS1 splicing QTL. We validated it in blood cells from a patient cohort and in the infected nasal cells of a patient with the risk allele, demonstrating the utility of GASPACHO to fine-map and functionally characterise a genetic locus. In summary, our novel analytical approach provides a new framework for delineation of the genetic variants that shape a wide spectrum of transcriptional responses at single-cell resolution.

Abstract The human skin confers biophysical and immunological protection through a complex cellular network that is established early in development. We profiled ~500,000 single cells using RNA-sequencing from healthy adult and developing skin, and skin from patients with atopic dermatitis and psoriasis. Our findings reveal a predominance of innate lymphoid cells and macrophages in developing skin in contrast to T cells and migratory dendritic cells in adult skin. We demonstrate dual keratinocyte differentiation trajectories and activated cellular circuits comprising vascular endothelial cells mediating immune cell trafficking, disease-specific clonally expanded IL13/IL22 and IL17A/F -expressing lymphocytes, epidermal IL23 -expressing dendritic cells and inflammatory keratinocytes in disease. Our findings provide key insights into the dynamic cellular landscape of human skin in health and disease. One Sentence Summary Single cell atlas of human skin reveals cell circuits which are quantitatively and qualitatively reconfigured in inflammatory skin disease.

Summary As the first line of defence against pathogens, cells mount an innate immune response, which is highly variable from cell to cell. The response must be potent yet carefully controlled to avoid self-damage. How these constraints have shaped the evolution of innate immunity remains poorly understood. Here, we characterise this programme’s transcriptional divergence between species and expression variability across cells. Using bulk and single-cell transcriptomics in primate and rodent fibroblasts challenged with an immune stimulus, we reveal a striking architecture of the innate immune response. Rapidly diverging genes, including cytokines and chemokines, also vary across cells and have distinct promoter structures. Conversely, genes involved in response regulation, such as transcription factors and kinases, are conserved between species and display low cell-to-cell variability. We suggest that this unique expression pattern, observed across species and conditions, has evolved as a mechanism for fine-tuned regulation, to achieve an effective but balanced response.

Abstract Bats host a range of viruses that cause severe disease in humans without displaying clinical symptoms to these infections. The mechanisms of bat adaptation to these viruses are a continuous source of interest but remain largely unknown. To understand the landscape of bat antiviral response in a comprehensive and comparative manner, we studied this response in two bat species - the Egyptian fruit bat and the insectivore Kuhl’s pipistrelle, representing the two major bat subordinal clades. We profiled the transcriptional response to dsRNA – that triggers a rapid innate immune response – in skin fibroblasts from a large cohort of replicates from each bat species, using RNA-sequencing, and compared bat response with responses in primates and rodents. Both bat species upregulate a similar set of genes, many of which are known to be involved in the antiviral response across mammals. However, a subset of these genes is transcriptionally divergent in response between the two bat species. These transcriptionally divergent genes also evolve rapidly in coding sequence across the bat clade and have particular regulatory and functional characteristics, including specific promoter architectures and association with expression programs thought to underlie tolerance and resistance in response to viral infection. In addition, using single-cell transcriptomics, we show that transcriptionally divergent genes display high expression variability between individual cells. A focused analysis of dsRNA-sensing pathways further points to significant differences between bat and human in basal expression of genes important for triggering antiviral responses. Finally, a survey of genes recently lost or duplicated in bats points to a limited set of antiviral genes that have undergone rapid gene loss or gain in bats, with the latter group resulting in paralogs displaying divergence in both coding sequence and expression in bat tissues. Our study reveals a largely conserved regulatory program of genes upregulated in response to viral infection across bats and other mammals, and points to a set of genes that evolved rapidly in bats through multiple evolutionary mechanisms. This divergence can contribute to bat adaptation to viral infection and provides directions to understanding the mechanisms behind it.

Summary Evolutionary changes in the host-virus interactome can alter the course of infection, but the biophysical and regulatory constraints that shape interface evolution remain largely unexplored. Here, we focus on viral mimicry of short host-like peptide motifs that allow binding to host domains and modulation of cellular pathways. We observe that motifs from unrelated viruses preferentially target conserved, widely expressed and highly connected host proteins, enriched with regulatory and essential functions. The interface residues within these host domains are more conserved and bind a larger number of cellular proteins than similar motif-binding domains that are not known to interact with viruses. In stark contrast, rapidly evolving viral-binding human proteins form few interactions with other cellular proteins, display high tissue specificity and their interface residues have few inter-residue contacts. Our results distinguish between highly conserved and rapidly evolving host-virus interfaces, and show how regulatory, functional and biophysical factors limit host capacity to evolve, allowing for efficient viral subversion of host machineries.

Abstract Several mammalian genes have originated from the domestication of retrotransposons, selfish mobile elements related to retroviruses. Some of the proteins encoded by these genes have maintained virus-like features; including self-processing, capsid structure formation, and the generation of different isoforms through −1 programmed ribosomal frameshifting. Using quantitative approaches in molecular evolution and biophysical analyses, we studied 28 retrotransposon-derived genes, with a focus on the evolution of virus-like features. By analyzing the rate of synonymous substitutions, we show that the −1 programmed ribosomal frameshifting mechanism in three of these genes (PEG10, PNMA3, and PNMA5) is conserved across mammals and originates alternative proteins. These genes were targets of positive selection in primates, and one of the positively selected sites affects a B-cell epitope on the spike domain of the PNMA5 capsid, a finding reminiscent of observations in infectious viruses. More generally, we found that retrotransposon-derived proteins vary in their intrinsically disordered region content and this is directly associated with their evolutionary rates. Most positively selected sites in these proteins are located in intrinsically disordered regions and some of them impact protein posttranslational modifications, such as autocleavage and phosphorylation. Detailed analyses of the biophysical properties of intrinsically disordered regions showed that positive selection preferentially targeted regions with lower conformational entropy. Furthermore, positive selection introduces variation in binary sequence patterns across orthologues, as well as in chain compaction. Our results shed light on the evolutionary trajectories of a unique class of mammalian genes and suggest a novel approach to study how intrinsically disordered region biophysical characteristics are affected by evolution.