Single-cell transcriptomics promises to revolutionize our understanding of the vasculature. Emerging computational methods applied to high dimensional single cell data allow integration of results between samples and species, and illuminate the diversity and underlying developmental and architectural organization of cell populations. Here, we illustrate these methods in analysis of mouse lymph node (LN) lymphatic endothelial cells (LEC) at single cell resolution. Clustering identifies five well-delineated subsets, including two medullary sinus subsets not recognized previously as distinct. Nearest neighbor alignments in trajectory space position the major subsets in a sequence that recapitulates known and suggests novel features of LN lymphatic organization, providing a transcriptional map of the lymphatic endothelial niches and of the transitions between them. Differences in gene expression reveal specialized programs for (1) subcapsular ceiling endothelial interactions with the capsule connective tissue and cells, (2) subcapsular floor regulation of lymph borne cell entry into the LN parenchyma and antigen presentation, and (3) medullary subset specialization for pathogen interactions and LN remodeling. LEC of the subcapsular sinus floor and medulla, which represent major sites of cell entry and exit from the LN parenchyma respectively, respond robustly to oxazolone inflammation challenge with enriched signaling pathways that converge on both innate and adaptive immune responses. Integration of mouse and human single-cell profiles reveals a conserved cross-species pattern of lymphatic vascular niches and gene expression, as well as specialized human subsets and genes unique to each species. The examples provided demonstrate the power of single-cell analysis in elucidating endothelial cell heterogeneity, vascular organization and endothelial cell responses. We discuss the findings from the perspective of LEC functions in relation to niche formations in the unique stromal and highly immunological environment of the LN.

Dominant mutations of Gata4, an essential cardiogenic transcription factor (TF), cause outflow tract (OFT) defects in both human and mouse. We investigated the molecular mechanism underlying this requirement. Gata4 happloinsufficiency in mice caused OFT defects including double outlet right ventricle (DORV) and conal ventricular septum defects (VSDs). We found that Gata4 is required within Hedgehog (Hh)-receiving second heart field (SHF) progenitors for normal OFT alignment. Increased Pten-mediated cell-cycle transition, rescued atrial septal defects but not OFT defects in Gata4 heterozygotes. SHF Hh-receiving cells failed to migrate properly into the proximal OFT cushion in Gata4 heterozygote embryos. We find that Hh signaling and Gata4 genetically interact for OFT development. Gata4 and Smo double heterozygotes displayed more severe OFT abnormalities including persistent truncus arteriosus (PTA) whereas restoration of Hedgehog signaling rescued OFT defects in Gata4-mutant mice. In addition, enhanced expression of the Gata6 was observed in the SHF of the Gata4 heterozygotes. These results suggested a SHF regulatory network comprising of Gata4, Gata6 and Hh-signaling for OFT development. This study indicates that Gata4 potentiation of Hh signaling is a general feature of Gata4-mediated cardiac morphogenesis and provides a model for the molecular basis of CHD caused by dominant transcription factor mutations.

SUMMARY Immunoglobulin family and carbohydrate vascular addressins encoded by Madcam1 and St6gal1 control lymphocyte homing into intestinal tissues, regulating immunity and inflammation. The addressins are developmentally programmed to decorate endothelial cells lining gut post-capillary and high endothelial venules, providing a prototypical example of organ- and segment-specific endothelial specialization. We identify conserved NKX-COUP-TFII composite elements (NCCE) in regulatory regions of Madcam1 and St6gal1 that bind intestinal homeodomain protein NKX2-3 cooperatively with venous nuclear receptor COUP-TFII to activate transcription. The Madcam1 element also integrates repressive signals from arterial/capillary Notch effectors. Pan-endothelial COUP-TFII overexpression induces ectopic addressin expression in NKX2-3 + capillaries, while NKX2-3 deficiency abrogates expression by HEV. Phylogenetically conserved NCCE are enriched in genes involved in neuron migration and morphogenesis of the heart, kidney, pancreas and other organs. Our results define a genomic address code for targeted expression of mucosal vascular addressins and implicate NCCE in fundamental processes in cell specification and development.

Summary Scarcity of tumor-infiltrating T cells poses significant challenges to cancer treatment, but mechanisms that regulate T cell recruitment into the tumor microenvironment are unclear. Here we ask if the endothelial lining of tumor vasculature suppresses T cell infiltration. Using mouse pancreatic ductal adenocarcinoma models, we found that Notch signaling in endothelial cells (ECs) inhibits the pro-inflammatory functions of cancer-associated fibroblasts (CAFs) and prevents CAFs from secreting CXCL10, a chemokine that recruits anti-tumor T cells via its receptor CXCR3. Abrogation of canonical Notch signaling in ECs reprogrammed the phenotype of CAFs from myofibroblasts into pro-inflammatory fibroblasts, unleashed interferon gamma (IFNγ) responses in the tumor, and stimulated CXCL10/CXCR3-mediated recruitment of T cells to inhibit tumor growth. Collectively, these data uncover an important role of endothelial Notch signaling in shaping the tumor immune microenvironment, and suggest the potential of targeting EC-CAF crosstalk as an approach to enhance anti-tumor immunity in immunologically cold tumors. In brief How blood vasculature shapes the tumor immune microenvironment is poorly defined. This study demonstrates that tumor endothelial cells reprogram cancer-associated fibroblasts to limit anti-tumor T cell recruitment, and suggests the potential of targeting endothelium-fibroblast crosstalk to overcome T cell scarcity in “cold” tumors and enhance anti-tumor immunity.