Rationale: The contributions of diverse cell populations in the human lung to pulmonary fibrosis pathogenesis are poorly understood. Single-cell RNA sequencing can reveal changes within individual cell populations during pulmonary fibrosis that are important for disease pathogenesis.Objectives: To determine whether single-cell RNA sequencing can reveal disease-related heterogeneity within alveolar macrophages, epithelial cells, or other cell types in lung tissue from subjects with pulmonary fibrosis compared with control subjects.Methods: We performed single-cell RNA sequencing on lung tissue obtained from eight transplant donors and eight recipients with pulmonary fibrosis and on one bronchoscopic cryobiospy sample from a patient with idiopathic pulmonary fibrosis. We validated these data using in situ RNA hybridization, immunohistochemistry, and bulk RNA-sequencing on flow-sorted cells from 22 additional subjects.Measurements and Main Results: We identified a distinct, novel population of profibrotic alveolar macrophages exclusively in patients with fibrosis. Within epithelial cells, the expression of genes involved in Wnt secretion and response was restricted to nonoverlapping cells. We identified rare cell populations including airway stem cells and senescent cells emerging during pulmonary fibrosis. We developed a web-based tool to explore these data.Conclusions: We generated a single-cell atlas of pulmonary fibrosis. Using this atlas, we demonstrated heterogeneity within alveolar macrophages and epithelial cells from subjects with pulmonary fibrosis. These results support the feasibility of discovery-based approaches using next-generation sequencing technologies to identify signaling pathways for targeting in the development of personalized therapies for patients with pulmonary fibrosis.

Abstract Pulmonary fibrosis is a devastating disorder that results in the progressive replacement of normal lung tissue with fibrotic scar. Available therapies slow disease progression, but most patients go on to die or require lung transplantation. Single-cell RNA-seq is a powerful tool that can reveal cellular identity via analysis of the transcriptome, but its ability to provide biologically or clinically meaningful insights in a disease context is largely unexplored. Accordingly, we performed single-cell RNA-seq on lung tissue obtained from eight transplant donors and eight recipients with pulmonary fibrosis and one bronchoscopic cryobiospy sample. Integrated single-cell transcriptomic analysis of donors and patients with pulmonary fibrosis identified the emergence of distinct populations of epithelial cells and macrophages that were common to all patients with lung fibrosis. Analysis of transcripts in the Wnt pathway suggested that within the same cell type, Wnt secretion and response are restricted to distinct non-overlapping cells, which was confirmed using in situ RNA hybridization. Single-cell RNA-seq revealed heterogeneity within alveolar macrophages from individual patients, which was confirmed by immunohistochemistry. These results support the feasibility of discovery-based approaches applying next generation sequencing technologies to clinically obtained samples with a goal of developing personalized therapies. One Sentence Summary Single-cell RNA-seq applied to tissue from diseased and donor lungs and a living patient with pulmonary fibrosis identifies cell type-specific disease-associated molecular pathways.

Regulatory T (Treg) cells require Foxp3 expression and induction of a specific DNA hypomethylation signature during development, after which Treg cells persist as a self-renewing population that regulates immune system activation. Whether maintenance DNA methylation is required for Treg cell lineage development and stability and how methylation patterns are maintained during lineage self-renewal remain unclear. Here, we demonstrate that the epigenetic regulator Uhrf1 is essential for maintenance of methyl-DNA marks that stabilize Treg cellular identity by repressing effector T cell transcriptional programs. Constitutive and induced deficiency of Uhrf1 within Foxp3+ cells resulted in global yet non-uniform loss of DNA methylation, derepression of inflammatory transcriptional programs, destabilization of the Treg cell lineage, spontaneous inflammation, and enhanced tumor immunity. These findings support a paradigm in which maintenance DNA methylation is required in distinct regions of the Treg cell genome for both lineage establishment and stability of identity and suppressive function.

Abstract Monocytes are one of the most abundant immune cells infiltrating the inflamed organs. However, the majority of studies on monocytes focus on circulating cells, rather than those in the tissue. Here, we identify and characterize an intravascular (i.v.) and extravascular (e.v.) synovial population (Syn Ly6C - cells) which lack cell surface markers of classical monocytes (Ly6C and CD62) or tissue macrophages (CD64 and Tim4), are transcriptionally distinct and conserved in RA patients. e.v. Syn Ly6C - cells are independent of NR4A1 and CCR2, long-lived and embryonically derived while the i.v. Syn Ly6C - cells are dependent on NR4A1, short lived and derived from circulating NCM. e.v. Syn Ly6C - cells undergo increased proliferation and reverse diapedesis dependent on LFA1 in response to arthrogenic stimuli and are required for the development of RA-like disease. These findings uncover a new facet of mononuclear cell biology and are imperative to understanding tissue-resident myeloid cell function in RA.