ABSTRACT Background Recent developments in droplet-based microfluidics allow the transcriptional profiling of thousands of individual cells, in a quantitative, highly parallel and cost-effective way. A critical, often limiting step is the preparation of cells in an unperturbed state, not compromised by stress or ageing. Another challenge are rare cells that need to be collected over several days, or samples prepared at different times or locations. Results Here, we used chemical fixation to overcome these problems. Methanol fixation allowed us to stabilize and preserve dissociated cells for weeks. By using mixtures of fixed human and mouse cells, we showed that individual transcriptomes could be confidently assigned to one of the two species. Single-cell gene expression from live and fixed samples correlated well with bulk mRNA-seq data. We then applied methanol fixation to transcriptionally profile primary single cells from dissociated complex tissues. Low RNA content cells from Drosophila embryos, as well as mouse hindbrain and cerebellum cells sorted by FACS, were successfully analysed after fixation, storage and single-cell droplet RNA-seq. We were able to identify diverse cell populations, including neuronal subtypes. As an additional resource, we provide ‘dropbead’, an R package for exploratory data analysis, visualization and filtering of Drop-seq data. Conclusions We expect that the availability of a simple cell fixation method will open up many new opportunities in diverse biological contexts to analyse transcriptional dynamics at single cell resolution.

Abstract Key issues for research of COVID-19 pathogenesis are the lack of biopsies from patients and of samples at the onset of infection. To overcome these hurdles, hamsters were shown to be useful models for studying this disease. Here, we further leveraged the model to molecularly survey the disease progression from time-resolved single-cell RNA-sequencing data collected from healthy and SARS-CoV-2-infected Syrian and Roborovski hamster lungs. We compared our data to human COVID-19 studies, including BALF, nasal swab, and post-mortem lung tissue, and identified a shared axis of inflammation dominated by macrophages, neutrophils, and endothelial cells, which we show to be transient in Syrian and terminal in Roborovski hamsters. Our data suggest that, following SARS-CoV-2 infection, commitment to a type 1 or type 3-biased immunity determines moderate versus severe COVID-19 outcomes, respectively. One-Sentence Summary Activation of different immunological programs upon SARS-CoV-2 infection determines COVID-19 severity.

Abstract Vaccines are a cornerstone in COVID-19 pandemic management. Here, we compare immune responses to and preclinical efficacy of the mRNA vaccine BNT162b2, an adenovirus-vectored spike vaccine, and the live-attenuated-virus vaccine candidate sCPD9 after single and double vaccination in Syrian hamsters. All regimens containing sCPD9 showed superior efficacy. The robust immunity elicited by sCPD9 was evident in a wide range of immune parameters after challenge with heterologous SARS-CoV-2 including rapid viral clearance, reduced tissue damage, fast differentiation of pre-plasmablasts, strong systemic and mucosal humoral responses, and rapid recall of memory T cells from lung tissue. Our results demonstrate that use of live-attenuated vaccines may offer advantages over available COVID-19 vaccines, specifically when applied as booster, and may provide a solution for containment of the COVID-19 pandemic.

Humans and hamsters share a common inflammatory response to SARS-CoV-2 d Disease severity correlates with early innate effector cell-type response d Diffusion-based analyses dissect neutrophil and endothelial cell responses during infection d Differences in cell-type responses lead to either reversible or terminal endothelial damage

Abstract Cells experience intrinsic and extrinsic pressures that affect their proclivity to expand and persist in vivo . In congenital disorders caused by loss-of-function mutations in mitochondrial DNA (mtDNA), metabolic vulnerabilities may result in cell-type specific phenotypes and depletion of pathogenic alleles, contributing to purifying selection. However, the impact of pathogenic mtDNA mutations on the cellular hematopoietic landscape is not well understood. Here, we establish a multi-omics approach to quantify deletions in mtDNA alongside cell state features in single cells derived from Pearson syndrome patients. We resolve the interdependence between pathogenic mtDNA and lineage, including purifying selection against deletions in effector/memory CD8 T-cell populations and recent thymic emigrants and dynamics in other hematopoietic populations. Our mapping of lineage-specific purifying selection dynamics in primary cells from patients carrying pathogenic heteroplasmy provides a new perspective on recurrent clinical phenotypes in mitochondrial disorders, including cancer and infection, with potential broader relevance to age-related immune dysfunction.

Herpesvirus infection initiates a range of perturbations in the host cell, which remain poorly understood at the level of individual cells. Here, we quantified the transcrips of single human primary fibroblasts during the first hours of lytic infection with HSV-1. By applying a generalizable analysis scheme, we defined a precise temporal order of early viral gene expression and found unexpected bifurcations and bottlenecks. We identified individual host cell genes and pathways relevant in early infection by combining three different computational approaches: gene and pathway overdispersion analysis, prediction of cell-state transition probabilities as well as future cell states. One transcriptional program, which was turned on in infected cells and correlated with increased resistance to infection, implicated the transcription factor NRF2. Consequently, Bardoxolone methyl, a known NRF2 agonist, impaired virus production, suggesting that NRF2 activation restricts the progression of viral infection. Our study provides novel insights into early stages of HSV-1 infection and serves as a general blueprint for the investigation of heterogenous cell states in virus infection.