There is pressing urgency to understand the pathogenesis of the severe acute respiratory syndrome coronavirus clade 2 (SARS-CoV-2), which causes the disease COVID-19. SARS-CoV-2 spike (S) protein binds angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), and in concert with host proteases, principally transmembrane serine protease 2 (TMPRSS2), promotes cellular entry. The cell subsets targeted by SARS-CoV-2 in host tissues and the factors that regulate ACE2 expression remain unknown. Here, we leverage human, non-human primate, and mouse single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) datasets across health and disease to uncover putative targets of SARS-CoV-2 among tissue-resident cell subsets. We identify ACE2 and TMPRSS2 co-expressing cells within lung type II pneumocytes, ileal absorptive enterocytes, and nasal goblet secretory cells. Strikingly, we discovered that ACE2 is a human interferon-stimulated gene (ISG) in vitro using airway epithelial cells and extend our findings to in vivo viral infections. Our data suggest that SARS-CoV-2 could exploit species-specific interferon-driven upregulation of ACE2, a tissue-protective mediator during lung injury, to enhance infection.

Barrier tissue dysfunction is a fundamental feature of chronic human inflammatory diseases1. Specialized subsets of epithelial cells—including secretory and ciliated cells—differentiate from basal stem cells to collectively protect the upper airway2–4. Allergic inflammation can develop from persistent activation5 of type 2 immunity6 in the upper airway, resulting in chronic rhinosinusitis, which ranges in severity from rhinitis to severe nasal polyps7. Basal cell hyperplasia is a hallmark of severe disease7–9, but it is not known how these progenitor cells2,10,11 contribute to clinical presentation and barrier tissue dysfunction in humans. Here we profile primary human surgical chronic rhinosinusitis samples (18,036 cells, n = 12) that span the disease spectrum using Seq-Well for massively parallel single-cell RNA sequencing12, report transcriptomes for human respiratory epithelial, immune and stromal cell types and subsets from a type 2 inflammatory disease, and map key mediators. By comparison with nasal scrapings (18,704 cells, n = 9), we define signatures of core, healthy, inflamed and polyp secretory cells. We reveal marked differences between the epithelial compartments of the non-polyp and polyp cellular ecosystems, identifying and validating a global reduction in cellular diversity of polyps characterized by basal cell hyperplasia, concomitant decreases in glandular cells, and phenotypic shifts in secretory cell antimicrobial expression. We detect an aberrant basal progenitor differentiation trajectory in polyps, and propose cell-intrinsic13, epigenetic14,15 and extrinsic factors11,16,17 that lock polyp basal cells into this uncommitted state. Finally, we functionally demonstrate that ex vivo cultured basal cells retain intrinsic memory of IL-4/IL-13 exposure, and test the potential for clinical blockade of the IL-4 receptor α-subunit to modify basal and secretory cell states in vivo. Overall, we find that reduced epithelial diversity stemming from functional shifts in basal cells is a key characteristic of type 2 immune-mediated barrier tissue dysfunction. Our results demonstrate that epithelial stem cells may contribute to the persistence of human disease by serving as repositories for allergic memories. Single-cell RNA sequencing is used to characterize cell types in nasal tissues from human patients with chronic rhinosinusitis, revealing a role for tissue stem cells in allergic inflammatory memory.

Abstract Environmental enteropathy (EE) is a subclinical condition of the small intestine that is highly prevalent in low- and middle-income countries. It is thought to be a key contributing factor to childhood malnutrition, growth-stunting, and diminished oral vaccine responses. While EE has been shown to be the by-product of recurrent enteric infection, its full pathophysiology remains unclear. Here, we mapped the cellular and molecular correlates of EE severity by performing high-throughput single-cell RNA-sequencing on 33 small intestinal biopsies from 11 adults with EE from Lusaka, Zambia (8 HIV-negative, 3 HIV-positive), 6 adults without EE in Boston, USA, and 2 adults from Durban, South Africa, which we complemented with published data from 3 additional South African adults from the same clinical site. By using these data to reanalyze previously-defined bulk-transcriptomic signatures of reduced villus height and decreased plasma LPS levels in EE, we found that these signatures may be driven by an increased abundance of surface mucosal cells – a gastric-like subset previously implicated in epithelial repair in the gastrointestinal tract. In addition, we identified several cell subsets whose fractional abundances associate with histologically determined EE severity, small intestinal region, and HIV infection. Furthermore, by comparing distal duodenal EE samples with those from three control cohorts, we identified dysregulated WNT and MAPK signaling in the EE epithelium and a T cell subset highly expressing a transcriptional signature of tissue-resident memory cells but with increased pro-inflammatory cytokine expression in the EE cohort. Altogether, our work illuminates epithelial and immune correlates of EE and provides new molecular targets for intervention. One Sentence Summary Using single-cell RNA-sequencing, we characterize the pathophysiology of environmental enteropathy (EE) – a highly prevalent condition of the small intestine that is thought to be a primary cause of global growth-stunting cases and a key contributing factor to childhood malnutrition and diminished oral vaccine responses – to derive insights into the epithelial and immune correlates of disease severity, suggesting new therapeutic targets for future investigation.

Summary Barrier tissue epithelia play an essential role in maintaining organismal homeostasis, and changes in their cellular composition have been observed in multiple human diseases. Within the small intestinal epithelium, adult stem cells integrate diverse signals to regulate regeneration and differentiation, thereby establishing overall cellularity. Accordingly, directing stem cell differentiation could provide a tractable approach to alter the abundance or quality of specialized cells of the small intestinal epithelium, including the secretory Paneth, goblet, and enteroendocrine populations. Yet, to date, there has been a lack of suitable tools and rigorous approaches to identify biological targets and pharmacological agents that can modify epithelial composition to enable causal testing of disease-associated changes with novel therapeutic candidates. To empower the search for epithelia-modifying agents, we establish a first-of-its-kind high-throughput phenotypic organoid screen. We demonstrate the ability to screen thousands of samples and uncover biological targets and associated small molecule inhibitors which translate to in vivo . This approach is enabled by employing a functional, cell-type specific, scalable assay on an organoid model designed to represent the physiological cues of in vivo Paneth cell differentiation from adult intestinal stem cells. Further, we miniaturize and adapt the organoid culture system to enable automated plating and screening, thereby providing the ability to test thousands of samples. Strikingly, in our screen we identify inhibitors of the nuclear exporter Xpo1 modulate stem cell fate commitment by inducing a pan-epithelial stress response combined with an interruption of mitogen signaling in cycling intestinal progenitors, thereby significantly increasing the abundance of Paneth cells independent of known WNT and Notch differentiation cues. We extend our observation in vivo , demonstrating that oral administration of Xpo1 inhibitor KPT-330 at doses 1,000-fold lower than conventionally used in hematologic malignancies increases Paneth cell abundance. In total, we provide a framework to identify novel biological cues and therapeutic leads to rebalance intestinal stem cell differentiation and modulate epithelial tissue composition via high-throughput phenotypic screening in rationally-designed organoid model of differentiation.

The olfactory mucosa is important for both the sense of smell and as a mucosal immune barrier to the upper airway and brain. However, little is known about how the immune system mediates the conflicting goals of neuronal maintenance and inflammation in this tissue. A number of immune cell populations reside within the olfactory mucosa and yet we have little understanding of how these resident olfactory immune cells functionally interact with the chemosensory environment. Identifying these interactions will allow therapeutic manipulations that treat disorders such as post-viral olfactory dysfunction. Macrophages are the most prevalent immune cell type in the uninflamed olfactory mucosa and here, we identify two distinct tissue macrophage populations in murine olfactory mucosa. P2ry12

Immune responses within barrier tissues are regulated, in part, by nociceptors, specialized peripheral sensory neurons that detect noxious stimuli. Previous work has shown that nociceptor ablation not only alters local responses to immune challenge at peripheral sites, but also within draining lymph nodes (LNs). The mechanisms and significance of nociceptor-dependent modulation of LN function are unknown. Indeed, although sympathetic innervation of LNs is well documented, it has been unclear whether the LN parenchyma itself is innervated by sensory neurons. Here, using a combination of high-resolution imaging, retrograde viral tracing, single-cell transcriptomics (scRNA-seq), and optogenetics, we identified and functionally tested a sensory neuro-immune circuit that is preferentially located in the outermost cortex of skin-draining LNs. Transcriptomic profiling revealed that there are at least four discrete subsets of sensory neurons that innervate LNs with a predominance of peptidergic nociceptors, and an innervation pattern that is distinct from that in the surrounding skin. To uncover potential LN-resident communication partners for LN-innervating sensory neurons, we employed scRNA-seq to generate a draft atlas of all murine LN cells and, based on receptor-ligand expression patterns, nominated candidate target populations among stromal and immune cells. Using selective optogenetic stimulation of LN-innervating sensory axons, we directly experimentally tested our inferred connections. Acute neuronal activation triggered rapid transcriptional changes preferentially within our top-ranked putative interacting partners, principally endothelium and other nodal stroma cells, as well as several innate leukocyte populations. Thus, LNs are monitored by a unique population of sensory neurons that possesses immunomodulatory potential.