Abstract Cardiovascular disease is the leading cause of death worldwide. Advanced insights into disease mechanisms and therapeutic strategies require a deeper understanding of the molecular processes involved in the healthy heart. Knowledge of the full repertoire of cardiac cells and their gene expression profiles is a fundamental first step in this endeavour. Here, using state-of-the-art analyses of large-scale single-cell and single-nucleus transcriptomes, we characterize six anatomical adult heart regions. Our results highlight the cellular heterogeneity of cardiomyocytes, pericytes and fibroblasts, and reveal distinct atrial and ventricular subsets of cells with diverse developmental origins and specialized properties. We define the complexity of the cardiac vasculature and its changes along the arterio-venous axis. In the immune compartment, we identify cardiac-resident macrophages with inflammatory and protective transcriptional signatures. Furthermore, analyses of cell-to-cell interactions highlight different networks of macrophages, fibroblasts and cardiomyocytes between atria and ventricles that are distinct from those of skeletal muscle. Our human cardiac cell atlas improves our understanding of the human heart and provides a valuable reference for future studies.

The elucidation of factors that activate the regeneration of the adult mammalian heart is of major scientific and therapeutic importance. Here we found that epicardial cells contain a potent cardiogenic activity identified as follistatin-like 1 (Fstl1). Epicardial Fstl1 declines following myocardial infarction and is replaced by myocardial expression. Myocardial Fstl1 does not promote regeneration, either basally or upon transgenic overexpression. Application of the human Fstl1 protein (FSTL1) via an epicardial patch stimulates cell cycle entry and division of pre-existing cardiomyocytes, improving cardiac function and survival in mouse and swine models of myocardial infarction. The data suggest that the loss of epicardial FSTL1 is a maladaptive response to injury, and that its restoration would be an effective way to reverse myocardial death and remodelling following myocardial infarction in humans. The secreted factor follistatin-like 1 (FSTL1) becomes undetectable in the epicardium of infarcted hearts; when reconstituted using a collagen patch sutured onto an infarcted heart, FSTL1 can induce cell cycle entry and division of pre-existing cardiomyocytes, thus boosting heart function and survival in mouse and pig models of myocardial infarction. Human heart tissue has a limited capacity to regenerate but recent studies have suggested that the epicardium might preserve function of the adult myocardium following injury to some extent, possibly by providing myogenic progenitors. This study identifies the secreted factor follistatin-like 1 (FSTL1) as a regenerative factor that is normally present in healthy epicardium, but lost following myocardial infarction, suggesting a mechanism whereby injury diminishes the regenerative potency of the mammalian heart. Reconstitution of FSTL1 by an engineered epicardial biomaterial improved cardiac function in animal models of myocardial infarction, with evidence of cardiomyocyte regeneration amenable to clinical translation.

Summary Cardiovascular disease is the leading cause of death worldwide. Advanced insights into disease mechanisms and strategies to improve therapeutic opportunities require deeper understanding of the molecular processes of the normal heart. Knowledge of the full repertoire of cardiac cells and their gene expression profiles is a fundamental first step in this endeavor. Here, using large-scale single cell and nuclei transcriptomic profiling together with state-of-the-art analytical techniques, we characterise the adult human heart cellular landscape covering six anatomical cardiac regions (left and right atria and ventricles, apex and interventricular septum). Our results highlight the cellular heterogeneity of cardiomyocytes, pericytes and fibroblasts, revealing distinct subsets in the atria and ventricles indicative of diverse developmental origins and specialized properties. Further we define the complexity of the cardiac vascular network which includes clusters of arterial, capillary, venous, lymphatic endothelial cells and an atrial-enriched population. By comparing cardiac cells to skeletal muscle and kidney, we identify cardiac tissue resident macrophage subsets with transcriptional signatures indicative of both inflammatory and reparative phenotypes. Further, inference of cell-cell interactions highlight a macrophage-fibroblast-cardiomyocyte network that differs between atria and ventricles, and compared to skeletal muscle. We expect this reference human cardiac cell atlas to advance mechanistic studies of heart homeostasis and disease.

ABSTRACT Frameshift and nonsense DNA variants represent the commonest causes of monogenic inherited diseases. They usually generate premature termination codon (PTC)-containing RNA transcripts that produce truncated proteins in recombinant systems, but endogenously are subject to nonsense mediated decay. To examine native consequences of these variants, we derived cells from pre-genotyped patients. Blood outgrowth endothelial cells (BOECs) were established from individuals with hereditary hemorrhagic telangiectasia (HHT) due to a heterozygous nonsense variant in ACVRL1 , ENG or SMAD4 that each encode an endothelial cell-expressed protein mediating bone morphogenetic protein (BMP)/ transforming growth factor (TGF)-β signalling. RNA sequencing alignments to PTC alleles varied from 8-23% of expected, and differed between same-donor replicates. Differential gene expression analyses were validated by single cell qRT-PCR, and identification of changes in wider, disease-specific BMP/TGF-β pathway components. However, the most differentially expressed genes clustered to disease-independent terms for post translational protein modification (isopeptide bond; ubiquitin-like conjugation). They were the only terms meeting Benjamini significance after clustering Bonferroni-ranked, differentially expressed genes from the 5,013 meeting 10% intraassay coefficients of variation, and significance was robust to normalisation methods. Optimised pulse chase experiments supported perturbed wildtype protein maturation, but no PTC-truncated protein was identified. Unexpectedly, BOEC cultures with highest PTC persistence were discriminated in unsupervised hierarchical clustering of low GINI coefficient ‘invariant’ housekeeper genes, and patterns were compatible with higher cellular stress. The findings support a model whereby PTCs are more of a burden in stressed cells, and lead us to conclude that overlooked and varying PTC burdens contribute to biological variability.

Abstract A cell’s function is defined by its intrinsic characteristics and its niche: the tissue microenvironment in which it dwells. Here, we combine single-cell and spatial transcriptomic data to discover cellular niches within eight regions of the human heart. We map cells to micro-anatomic locations and integrate knowledge-based and unsupervised structural annotations. For the first time, we profile the cells of the human cardiac conduction system, revealing their distinctive repertoire of ion channels, G-protein coupled receptors, and cell interactions using a custom CellPhoneDB.org module. We show that the sinoatrial node is compartmentalised, with a core of pacemaker cells, fibroblasts and glial cells supporting paracrine glutamatergic signalling. We introduce a druggable target prediction tool, drug2cell, which leverages single-cell profiles and drug-target interactions, providing unexpected mechanistic insights into the chronotropic effects of drugs, including GLP-1 analogues. In the epicardium, we show enrichment of both IgG+ and IgA+ plasma cells forming immune niches which may contribute to infection defence. We define a ventricular myocardial-stress niche enriched for activated fibroblasts and stressed cardiomyocytes, cell states that are expanded in cardiomyopathies. Overall, we provide new clarity to cardiac electro-anatomy and immunology, and our suite of computational approaches can be deployed to other tissues and organs.

Abstract A striking feature of severe COVID-19 is thrombosis in large as well as small vessels of multiple organs. This has led to the assumption that SARS-CoV-2 virus directly infects and damages the vascular endothelium. However, endothelial expression of ACE2, the cellular receptor for SARS-CoV-2, has not been convincingly demonstrated. Interrogating human bulk and single-cell transcriptomic data, we found ACE2 expression in endothelial cells to be extremely low or absent in vivo and not upregulated by exposure to inflammatory agents in vitro . Also, the endothelial chromatin landscape at the ACE2 locus showed presence of repressive and absence of activation marks, suggesting that the gene is inactive in endothelial cells. Finally, we failed to achieve infection and replication of SARS-CoV-2 in cultured human endothelial cells, which were permissive to productive infection by coronavirus 229E that uses CD13 as the receptor. Our data suggest that SARS-Cov-2 is unlikely to infect endothelial cells directly; these findings are consistent with a scenario where endothelial injury is indirectly caused by the infection of neighbouring epithelial cells and/or due to systemic effects mediated by immune cells, platelets, complement activation, and/or proinflammatory cytokines.

Abstract The most common cause of death due to COVID-19 remains respiratory failure. Yet, our understanding of the precise cellular and molecular changes underlying lung alveolar damage is limited. Here, we integrate single cell transcriptomic data of COVID-19 donor lungs with spatial transcriptomic data stratifying histopathological stages of diffuse alveolar damage (DAD). We identify changes in cellular composition across progressive DAD, including waves of molecularly distinct macrophages and depleted epithelial and endothelial populations throughout different types of tissue damage. Predicted markers of pathological states identify immunoregulatory signatures, including IFN-alpha and metallothionein signatures in early DAD, and fibrosis-related collagens in organised DAD. Furthermore, we predict a fibrinolytic shutdown via endothelial upregulation of SERPINE1 /PAI-1. Cell-cell interaction analysis revealed macrophage-derived SPP1 /osteopontin signalling as a key regulator during early DAD. These results provide the first comprehensive, spatially resolved atlas of DAD stages, highlighting the cellular mechanisms underlying pro-inflammatory and pro-fibrotic pathways across alveolar damage progression.

Abstract Funding Acknowledgements Type of funding sources: Foundation. Main funding source(s): Leducq Foundation Background Doxorubicin (DOX) is a highly effective chemotherapeutic agent widely used for treating various types of malignancies. Unfortunately, its clinical implication is hampered by cardiotoxic side effects which are responsible for increased mortality among cancer survivors compared to the general population. Preclinical and clinical studies have highlighted potential mechanisms of anthracycline-induced cardiotoxicity (AIC), but the core molecular basis remains largely unknown. More importantly, only a few studies have focused on the characterization of the molecular events that distinguish the early reversible phase of AIC from an advanced and irreversible state of the disease. Aim We aim to provide an unbiased and in-depth profile of early transcriptional changes induced by DOX at single cell resolution, to identify new druggable targets for the development of cardioprotective agents to prevent AIC. Methods Based on our previously established murine model of AIC, BALB/c mice were injected with saline (Vehicle) or DOX (3 weekly injections of 4 mg/kg), and hearts were collected at either 3 days (acute cardiotoxicity) or 6 weeks after the first injection (chronic cardiotoxicity). Nuclei were isolated from frozen hearts for single-nuclei transcriptomic (snRNAseq; 10x Genomics, Chromium Single Cell 3' v3.1). Seurat pipeline was mainly used for downstream bioinformatic analysis. Results Echocardiography revealed DOX-induced systolic dysfunction at 6 weeks, confirming the establishment of AIC. SnRNAseq data from 12 hearts allowed to identify 8 major cell types including cardiomyocytes (CM), endothelial and mural cells, fibroblasts, myeloid cells, B and T lymphocytes and neuronal-like cells. To unravel changes in CM, we performed unbiased subclustering which defined 6 different subpopulations, including a CM_Stressed population, characterized by enrichment of typical cardiac stress markers, such as natriuretic peptide hormone (Nppb) and myosin heavy chain 7 (Myh7). Differential abundance analysis showed enrichment of the CM-Stressed population at both 3 days and 6 weeks, suggesting that DOX drives a transcriptional change toward stress status in CM both at early and late stages of cardiotoxicity. Differential gene expression analysis revealed Golgi associated kinase 1B (Gask1B) to be significantly upregulated at both 3 days and 6 weeks in CM_Stressed. In agreement, preliminary experiments showed that Gask1b gene silencing partially rescued DOX-induced heart dysfunction in zebrafish model and hiPSC-derived CM, identifying Gask1b as a potential new player in DOX cardiotoxicity. Conclusions We generated a single-nucleus dataset of DOX-treated mouse hearts and identified transcriptional changes driven by DOX in CM at early and late stages of the disease. Furthermore, we identified Gask1b gene, whose role in cardiac pathophysiology was previously unappreciated, as a new potential marker and determinant of DOX cardiotoxicity.