The airway mucin Muc5b (but not Muc5ac) is required for mucociliary clearance, defence against bacterial infection in the airways and middle ear, and maintenance of immune homeostasis in the lungs; Muc5b deficiency causes accumulation of apoptotic macrophages, impairment of phagocytosis and reduced production of interleukin-23, leading to infection and inflammation. The mucosal surfaces in the lungs are a first line of defence against airborne pathogens but overproduction of mucus can itself cause respiratory disease. This study identifies a specific glycoprotein component of airway mucus, called Muc5b, as essential for mucociliary clearance in mice. Surprisingly Muc5b also contributes to innate defence against bacterial infection through the regulation of macrophage function both in mice and in humans with allergic asthma. Absence of Muc5b causes materials to accumulate in the airways, culminating in chronic infection by multiple bacterial species. This work could have relevance for the treatment of airway diseases. Respiratory surfaces are exposed to billions of particulates and pathogens daily. A protective mucus barrier traps and eliminates them through mucociliary clearance (MCC)1,2. However, excessive mucus contributes to transient respiratory infections and to the pathogenesis of numerous respiratory diseases1. MUC5AC and MUC5B are evolutionarily conserved genes that encode structurally related mucin glycoproteins, the principal macromolecules in airway mucus1,3. Genetic variants are linked to diverse lung diseases4,5,6, but specific roles for MUC5AC and MUC5B in MCC, and the lasting effects of their inhibition, are unknown. Here we show that mouse Muc5b (but not Muc5ac) is required for MCC, for controlling infections in the airways and middle ear, and for maintaining immune homeostasis in mouse lungs, whereas Muc5ac is dispensable. Muc5b deficiency caused materials to accumulate in upper and lower airways. This defect led to chronic infection by multiple bacterial species, including Staphylococcus aureus, and to inflammation that failed to resolve normally7. Apoptotic macrophages accumulated, phagocytosis was impaired, and interleukin-23 (IL-23) production was reduced in Muc5b−/− mice. By contrast, in mice that transgenically overexpress Muc5b, macrophage functions improved. Existing dogma defines mucous phenotypes in asthma and chronic obstructive pulmonary disease (COPD) as driven by increased MUC5AC, with MUC5B levels either unaffected or increased in expectorated sputum1,8. However, in many patients, MUC5B production at airway surfaces decreases by as much as 90%9,10,11. By distinguishing a specific role for Muc5b in MCC, and by determining its impact on bacterial infections and inflammation in mice, our results provide a refined framework for designing targeted therapies to control mucin secretion and restore MCC.

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.

IL17 is required for the initiation and progression of pancreatic cancer, particularly in the context of inflammation, as previously shown by genetic and pharmacological approaches. However, the cellular compartment and downstream molecular mediators of IL17-mediated pancreatic tumorigenesis have not been fully identified. This study examined the cellular compartment required by generating transgenic animals with IL17 receptor A (IL17RA), which was genetically deleted from either the pancreatic epithelial compartment or the hematopoietic compartment via generation of IL17RA-deficient (IL17-RA-/-) bone marrow chimeras, in the context of embryonically activated or inducible Kras. Deletion of IL17RA from the pancreatic epithelial compartment, but not from hematopoietic compartment, resulted in delayed initiation and progression of premalignant lesions and increased infiltration of CD8+ cytotoxic T cells to the tumor microenvironment. Absence of IL17RA in the pancreatic compartment affected transcriptional profiles of epithelial cells, modulating stemness, and immunological pathways. B7-H4, a known inhibitor of T-cell activation encoded by the gene Vtcn1, was the checkpoint molecule most upregulated via IL17 early during pancreatic tumorigenesis, and its genetic deletion delayed the development of pancreatic premalignant lesions and reduced immunosuppression. Thus, our data reveal that pancreatic epithelial IL17RA promotes pancreatic tumorigenesis by reprogramming the immune pancreatic landscape, which is partially orchestrated by regulation of B7-H4. Our findings provide the foundation of the mechanisms triggered by IL17 to mediate pancreatic tumorigenesis and reveal the avenues for early pancreatic cancer immune interception. See related Spotlight by Lee and Pasca di Magliano, p. 1130.

Bioactive molecule library screening strategies may empirically identify effective combination therapies. However, without a systems theory to interrogate synergistic responses, the molecular mechanisms underlying favorable drug-drug interactions remain unclear, precluding rational design of combination therapies. Here, we introduce Omics-Based Interaction Framework (OBIF) to reveal molecular drivers of synergy through integration of statistical and biological interactions in supra-additive biological responses. OBIF performs full factorial analysis of feature expression data from single vs. dual factor exposures to identify molecular clusters that reveal synergy-mediating pathways, functions and regulators. As a practical demonstration, OBIF analyzed a therapeutic dyad of immunostimulatory small molecules that induces synergistic protection against influenza A pneumonia. OBIF analysis of transcriptomic and proteomic data identified biologically relevant, unanticipated cooperation between RelA and cJun that we subsequently confirmed to be required for the synergistic antiviral protection. To demonstrate generalizability, OBIF was applied to data from a diverse array of Omics platforms and experimental conditions, successfully identifying the molecular clusters driving their synergistic responses. Hence, OBIF is a phenotype-driven systems model that supports multiplatform exploration of synergy mechanisms.### Competing Interest StatementS.E.E. is an author on U.S. patent 8,883,174 “Stimulation of Innate Resistance of the Lungs to Infection with Synthetic Ligands” and owns stock in Pulmotect Inc., which holds the commercial options on these patent disclosures. All other authors declare that no conflict of interest exists.

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.