Abstract Understanding cellular processes underlying early lung adenocarcinoma (LUAD) development is needed to devise intervention strategies 1 . Here, we studied 246,102 single epithelial cells from 16 early-stage LUADs and 47 matched normal lung samples. Epithelial cells comprised diverse normal alveolar and airway lineages as well as cancer cell populations. Diversity among cancer cells was strongly linked to LUAD patient-specific oncogenic drivers. KRAS -mutant cancer cells were unique in their transcriptional features, strikingly reduced differentiation, low levels of DNA copy number changes, and increased variability amongst the cells themselves. The local niche of LUADs, relative to that of normal lungs, was enriched with intermediary cells in lung alveolar differentiation with potential to transition to KRAS -mutant cancer cells. A subset of alveolar intermediate cells with elevated KRT8 expression ( KRT8 + alveolar cells; KACs) showed increased plasticity, and their gene expression profiles were enriched in lung precancer and LUAD and signified poor survival. Murine KACs were evident in lungs of tobacco carcinogen-exposed mice that develop KRAS -mutant LUADs but not in the saline-treated control group. While murine KACs emerged prior to tumor onset, they persisted for months after carcinogen cessation, acquired driver Kras mutations and, like their human counterparts, were poorly differentiated and harbored KRAS- specific transcriptional programs. This study provides new insights into early LUAD development and identifies potential targets for treatment.

ABSTRACT Little is known of the geospatial architecture of individual cell populations in lung adenocarcinoma (LUAD) evolution. Here, we perform single-cell RNA sequencing of 186,916 cells from 5 early-stage LUADs and 14 multi-region normal lung tissues of defined spatial proximities from the tumors. We show that cellular lineages, states, and transcriptomic features geospatially evolve across normal regions to LUADs. LUADs also exhibit pronounced intratumor cell heterogeneity within single sites and transcriptional lineage-plasticity programs. T regulatory cell phenotypes are increased in normal tissues with proximity to LUAD, in contrast to diminished signatures and fractions of cytotoxic CD8+ T cells, antigen-presenting macrophages and inflammatory dendritic cells. We further find that the LUAD ligand-receptor interactome harbors increased expression of epithelial CD24 which mediates pro-tumor phenotypes. These data provide a spatial atlas of LUAD evolution, and a resource for identification of targets for its treatment. Statement of significance The geospatial ecosystem of the peripheral lung and early-stage LUAD is not known. Our multi-region single-cell sequencing analyses unravel cell populations, states, and phenotypes in the spatial and ecological evolution of LUAD from the lung that comprise high-potential targets for early interception.

The novel coronavirus SARS-CoV-2 was identified as the causative agent of the ongoing pandemic COVID 19. COVID-19-associated deaths are mainly attributed to severe pneumonia and respiratory failure. Recent work demonstrated that SARS-CoV-2 binds to angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) in the lung. To better understand ACE2 abundance and expression patterns in the lung we interrogated our in-house single-cell RNA-sequencing dataset containing 70,085 EPCAM+ lung epithelial cells from paired normal and lung adenocarcinoma tissues. Transcriptomic analysis revealed a diverse repertoire of airway lineages that included alveolar type I and II, bronchioalveolar, club/secretory, quiescent and proliferating basal, ciliated and malignant cells as well as rare populations such as ionocytes. While the fraction of lung epithelial cells expressing ACE2 was low (1.7% overall), alveolar type II (AT2, 2.2% ACE2 +) cells exhibited highest levels of ACE2 expression among all cell subsets. Further analysis of the AT2 compartment (n = 27,235 cells) revealed a number of genes co-expressed with ACE2 that are important for lung pathobiology including those associated with chronic obstructive pulmonary disease (COPD; HHIP ), pneumonia and infection ( FGG and C4BPA ) as well as malarial/bacterial ( CD36 ) and viral ( DMBT1 ) scavenging which, for the most part, were increased in smoker versus light or non-smoker cells. Notably, DMBT1 was highly expressed in AT2 cells relative to other lung epithelial subsets and its expression positively correlated with ACE2 . We describe a population of ACE2 -positive AT2 cells that co-express pathogen (including viral) receptors (e.g. DMBT1 ) with crucial roles in host defense thus comprising plausible phenotypic targets for treatment of COVID-19.### Competing Interest StatementAES is an employee of Johnson and Johnson and has shares in Veracyte. HK receives funding to MD Anderson Cancer Center from Johnson and Johnson. TC has received speaker’s fees from the Society for Immunotherapy of Cancer and Bristol-Myers Squibb; receives consulting/advisory role fees from MedImmune, Bristol-Myers Squibb and EMD Serono, and research funding to MD Anderson Cancer Center from Boehringer Ingelheim, MedImmune and Bristol-Myers Squibb outside the scope of this work. All other authors declare no competing interests.