We analyzed DNA methylation patterns and transcriptomes of primary intestinal epithelial cells (IEC) of children newly diagnosed with inflammatory bowel diseases (IBD) to learn more about pathogenesis.We obtained mucosal biopsies (N = 236) collected from terminal ileum and ascending and sigmoid colons of children (median age 13 years) newly diagnosed with IBD (43 with Crohn's disease [CD], 23 with ulcerative colitis [UC]), and 30 children without IBD (controls). Patients were recruited and managed at a hospital in the United Kingdom from 2013 through 2016. We also obtained biopsies collected at later stages from a subset of patients. IECs were purified and analyzed for genome-wide DNA methylation patterns and gene expression profiles. Adjacent microbiota were isolated from biopsies and analyzed by 16S gene sequencing. We generated intestinal organoid cultures from a subset of samples and genome-wide DNA methylation analysis was performed.We found gut segment-specific differences in DNA methylation and transcription profiles of IECs from children with IBD vs controls; some were independent of mucosal inflammation. Changes in gut microbiota between IBD and control groups were not as large and were difficult to assess because of large amounts of intra-individual variation. Only IECs from patients with CD had changes in DNA methylation and transcription patterns in terminal ileum epithelium, compared with controls. Colon epithelium from patients with CD and from patients with ulcerative colitis had distinct changes in DNA methylation and transcription patterns, compared with controls. In IECs from patients with IBD, changes in DNA methylation, compared with controls, were stable over time and were partially retained in ex-vivo organoid cultures. Statistical analyses of epithelial cell profiles allowed us to distinguish children with CD or UC from controls; profiles correlated with disease outcome parameters, such as the requirement for treatment with biologic agents.We identified specific changes in DNA methylation and transcriptome patterns in IECs from pediatric patients with IBD compared with controls. These data indicate that IECs undergo changes during IBD development and could be involved in pathogenesis. Further analyses of primary IECs from patients with IBD could improve our understanding of the large variations in disease progression and outcomes.

Human gut development requires the orchestrated interaction of differentiating cell types. Here, we generate an in-depth single-cell map of the developing human intestine at 6-10 weeks post-conception. Our analysis reveals the transcriptional profile of cycling epithelial precursor cells; distinct from LGR5-expressing cells. We propose that these cells may contribute to differentiated cell subsets via the generation of LGR5-expressing stem cells and receive signals from surrounding mesenchymal cells. Furthermore, we draw parallels between the transcriptomes of ex vivo tissues and in vitro fetal organoids, revealing the maturation of organoid cultures in a dish. Lastly, we compare scRNA-seq profiles from pediatric Crohn's disease epithelium alongside matched healthy controls to reveal disease-associated changes in the epithelial composition. Contrasting these with the fetal profiles reveals the re-activation of fetal transcription factors in Crohn's disease. Our study provides a resource available at www.gutcellatlas.org, and underscores the importance of unraveling fetal development in understanding disease.

ABSTRACT Epicardial activation appears to be required for cardiac regeneration. Although reverting quiescent adult epicardium to an active neonatal or foetal state will likely represent a key therapeutic approach for human cardiac regeneration, the exact molecular differences between human adult and foetal epicardium are not understood. We used single-cell RNA sequencing to compare epicardial cells from both foetal and adult hearts. We found two foetal epicardial cell types, mesothelial and fibroblast-like, with only the mesothelial population present in adults. We also identified foetal-specific epicardial genes associated with regeneration and angiogenesis, and found that adult epicardium may be primed for immune and inflammatory responses. We predict that restoring the foetal epicardial state in human hearts would increase adult angiogenic potential. Finally, we demonstrated that human embryonic stem-cell derived epicardium is a valid model for the foetal epicardium and for investigating epicardial-mediated cardiac regeneration in humans. Our study defines regenerative programs in human foetal epicardium that are absent in the adult, brings human context to animal studies, and provides a roadmap for directing the epicardium in human heart regeneration.

The liver has been studied extensively due to the broad number of diseases affecting its vital functions. However, therapeutic advances, especially in regenerative medicine, are currently hampered by the lack of knowledge concerning human hepatic cell development. Here, we addressed this limitation by describing the developmental trajectories of different cell types comprising the human fetal liver at single-cell resolution. These transcriptomic analyses revealed that sequential cell-to-cell interactions direct functional maturation of hepatocytes, with non-parenchymal cells playing critical, supportive roles during organogenesis. We utilised this information to derive bipotential hepatoblast organoids and then exploited this novel model system to validate the importance of key signalling pathways and developmental cues. Furthermore, these insights into hepatic maturation enabled the identification of stage-specific transcription factors to improve the functionality of hepatocyte-like cells generated from human pluripotent stem cells. Thus, our study establishes a new platform to investigate the basic mechanisms of human liver development and to produce cell types for clinical applications.

Background & Aims: CD8+ T-cell gene expression has been implicated in the pathogenesis of Inflammatory Bowel Diseases (IBD) and has been shown to correlate with disease outcome in adult patients. Moreover, CD8+ T-cell exhaustion was identified as a contributing mechanism that impacts on disease behaviour. We aimed to explore CD8+ T-cell gene expression and DNA methylation in children newly diagnosed with IBD and test their correlation with disease outcome. Methods: We prospectively recruited 112 children with IBD at the point of diagnosis and 19 non-IBD controls. Follow-up samples were obtained from a subset of patients at 3-month intervals (n=62). CD8+ T-cells were purified from peripheral blood samples using magnetic bead sorting and genome-wide transcriptional (n=192) and DNA methylation (n=66) profiles were generated using Affymetrix and Illumina arrays respectively. Publicly available adult CD8+ T-cell transcriptomes and DNA methylomes were included in data analyses to investigate age dependent differences. Results: Variation amongst CD8+ T-cell transcriptomes obtained from children showed association with disease, systemic inflammation, age and gender, but lacked correlation with disease outcome in pediatric IBD. In contrast to CD8+ T-cell transcriptomes in adult Crohn's Disease (CD), samples from pediatric patients did not show variation within genes forming part of the previously reported prognostic expression or T-cell exhaustion signatures. Pediatric CD patient derived DNA methylation profiles also lacked correlation with disease outcome but in comparison to adult CD8+ methylomes showed a higher predicted proportion of CD8+ naïve T-cells. Conclusions: Our findings indicate age-related differences in IBD pathogenesis and highlight the importance of validating adult clinical biomarkers in pediatric cohorts.

Epigenetic mechanisms, including DNA methylation (DNAm), have been proposed to play a key role in Crohn's disease (CD) pathogenesis. However, the specific cell types and pathways affected as well as their potential impact on disease phenotype and outcome remain unknown. We set out to investigate the role of intestinal epithelial DNAm in CD pathogenesis.

Human gut development requires the orchestrated interaction of various differentiating cell types. Here we generate an in-depth single-cell map of the developing human intestine at 6 to 10 weeks post-conception, a period marked by crypt-villus formation. Our analysis reveals the transcriptional profile of cycling epithelial precursor cells, which are distinct from LGR5-expressing cells. We use computational analyses to show that these cells contribute to differentiated cell subsets directly and indirectly via the generation of LGR5-expressing stem cells and receive signals from the surrounding mesenchymal cells. Furthermore, we draw parallels between the transcriptomes of ex vivo tissues and in vitro fetal organoids, revealing the maturation of organoid cultures in a dish. Lastly, we compare scRNAseq profiles from paediatric Crohns disease epithelium alongside matched healthy controls to reveal disease associated changes in epithelial composition. Contrasting these with the fetal profiles reveals re-activation of fetal transcription factors in Crohns disease epithelium. Our study provides a unique resource, available at www.gutcellatlas.org, and underscores the importance of unravelling fetal development in understanding disease.