A comprehensive understanding of the changes in gene expression in cell types involved in idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) will shed light on the mechanisms underlying the loss of alveolar epithelial cells and development of honeycomb cysts and fibroblastic foci. We sought to understand changes in IPF lung cell transcriptomes and gain insight into innate immune aspects of pathogenesis. We investigated IPF pathogenesis using single-cell RNA-sequencing of fresh lung explants, comparing human IPF fibrotic lower lobes reflecting late disease, upper lobes reflecting early disease and normal lungs. IPF lower lobes showed increased fibroblasts, and basal, ciliated, goblet and club cells, but decreased alveolar epithelial cells, and marked alterations in inflammatory cells. We found three discrete macrophage subpopulations in normal and fibrotic lungs, one expressing monocyte markers, one highly expressing FABP4 and INHBA (FABP4 hi ), and one highly expressing SPP1 and MERTK (SPP1 hi ). SPP1 hi macrophages in fibrotic lower lobes showed highly upregulated SPP1 and MERTK expression. Low-level local proliferation of SPP1 hi macrophages in normal lungs was strikingly increased in IPF lungs. Co-localisation and causal modelling supported the role for these highly proliferative SPP1 hi macrophages in activation of IPF myofibroblasts in lung fibrosis. These data suggest that SPP1 hi macrophages contribute importantly to lung fibrosis in IPF, and that therapeutic strategies targeting MERTK and macrophage proliferation may show promise for treatment of this disease.

Although aging is a known risk factor for idiopathic pulmonary fibrosis (IPF), the pathogenic mechanisms that underlie the effects of advancing age remain largely unexplained. Some age-related neurodegenerative diseases have an etiology that is related to mitochondrial dysfunction. Here, we found that alveolar type II cells (AECIIs) in the lungs of IPF patients exhibit marked accumulation of dysmorphic and dysfunctional mitochondria. These mitochondrial abnormalities in AECIIs of IPF lungs were associated with upregulation of ER stress markers and were recapitulated in normal mice with advancing age in response to stimulation of ER stress. We found that impaired mitochondria in IPF and aging lungs were associated with low expression of PTEN-induced putative kinase 1 (PINK1). Knockdown of PINK1 expression in lung epithelial cells resulted in mitochondria depolarization and expression of profibrotic factors. Moreover, young PINK1-deficient mice developed similarly dysmorphic, dysfunctional mitochondria in the AECIIs and were vulnerable to apoptosis and development of lung fibrosis. Our data indicate that PINK1 deficiency results in swollen, dysfunctional mitochondria and defective mitophagy, and promotes fibrosis in the aging lung.

Background Calcific aortic valve disease (CAVD) is the pathological remodeling of the valve leaflets which leads to heart failure and high stroke risk. While several mechanisms are known to drive cardiovascular calcification, the initial steps orchestrating the osteogenic reprogramming of cells are not fully understood. Non-canonical functions of telomerase reverse transcriptase (TERT) include service as a cofactor to stimulate gene transcription, and TERT overexpression primes mesenchymal stem cells to differentiate into osteoblasts. We investigated whether TERT contributes to osteogenic reprogramming of valve interstitial cells. Methods Baseline transcription of TERT and osteogenic markers, senescence, DNA damage, and telomere length in valve tissue and primary aortic valve interstitial cells (VICs) from control and CAVD patients were assessed. TERT expression was depleted in cells using lentiviral vectors. Cells from Tert +/+ and Tert -/- mice were used to validate human findings. Immunofluorescence staining, proximity ligation assay, and chromatin immunoprecipitation assay were used in mechanistic experiments. Results TERT protein was highly expressed in calcified valve leaflets, without changes in telomere length, DNA damage, or senescence. These phenotypic features were retained in primary VICs isolated and cultured from those diseased tissues. TERT levels were increased with osteogenic or inflammatory stimuli, and genetic deletion or reduction of TERT prevented calcification of VICs isolated from humans and mice. Similar results were seen in smooth muscle cells (SMCs) and mesenchymal stem cells (MSCs). TERT and Signal Transducer and Activator of Transcription 5A/B (STAT5) colocalize and bind to the Runt-Related Transcription Factor 2 ( RUNX2 ) gene promoter, and TERT and STAT5 co-localized in calcified valve tissues. Pharmacological inhibition of STAT5A prevented calcification in vitro. Conclusions These data show that non-canonical TERT activity is required for the calcification of VICs. TERT partners with STAT5A to bind to and activate the RUNX2 gene promoter. These data identify a novel therapeutic target to abate vascular calcification. Novelty and Significance What Is Known? Calcific aortic valve disease (CAVD) is the most prevalent form of aortic valve pathology. CAVD strongly correlates with age and leads to heart failure and a high risk of stroke. Currently, the only therapeutic option is valve replacement, which comes with significant healthcare costs and additional risks to patients. Runt-related transcription factor 2 (RUNX2) is the master transcription factor required for osteogenic differentiation of osteoblasts and osteogenic reprogramming of vascular cells, yet the early events driving its transcription in valve cells are not well defined. Overexpression of TERT primes mesenchymal stem cells to differentiate down the osteoblast lineage, suggesting that TERT signaling plays an important role in cell differentiation and phenotype. What New Information Does This Article Contribute? TERT protein is highly expressed in calcified aortic leaflets and valve interstitial cells, independent of changes in telomere length. Genetic loss or depletion of TERT blocks calcification in valve interstitial cells, coronary smooth muscle cells, and mesenchymal stem cells. TERT co-localizes with STAT5 in the cytosol and on the RUNX2 gene promoter, the master regulator of osteogenic transcriptional programs. Pharmacological inhibition of STAT5 prevents calcification of human valve interstitial cells, coronary smooth muscle cells, and mesenchymal stem cells. What are the clinical implications? We have identified TERT/STAT5 as novel signaling axis that promotes the early transcriptional reprogramming in cardiovascular cells. Inhibiting TERT and STAT5 interaction and activity can be leveraged for the development of pharmacological or biological therapeutic strategies to halt or prevent calcification in the aortic valve and perhaps other cardiovascular tissues. Surgical procedures are currently the only treatment option for patients with CAVD. Discovering the early events driving vascular calcification identifies novel and druggable targets for the development of non-surgical therapies.

Abstract Lymphopenia is common in severe COVID-19 disease, yet the mechanisms are poorly understood. In 148 patients with severe COVID-19, we found lymphopenia was associated with worse survival. CD4 + lymphopenia predominated, with lower CD4 + /CD8 + ratios in severe COVID-19 compared to recovered, mild disease (p<0.0001). In severe disease, immunodominant CD4 + T cell responses to Spike-1(S1) produced increased in vitro TNF-α, but impaired proliferation and increased susceptibility to activation-induced cell death (AICD). CD4 + TNF-α + T cell responses inversely correlated with absolute CD4 + counts from severe COVID-19 patients (n=76; R=-0.744, P<0.0001). TNF-α blockade including infliximab or anti-TNFRI antibodies strikingly rescued S1-specific CD4 + proliferation and abrogated S1-AICD in severe COVID-19 patients (P<0.001). Single-cell RNAseq demonstrated downregulation of Type-1 cytokines and NFκB signaling in S1-stimulated CD4 + cells with infliximab treatment. Lung CD4 + T cells in severe COVID-19 were reduced and produced higher TNF-α versus PBMC. Together, our findings show COVID-19-associated CD4 + lymphopenia and dysfunction is autocrine TNF-α/TNFRI-dependent and therapies targeting TNF-α may be beneficial in severe COVID-19. One Sentence Summary Autocrine TNF-α/TNFRI regulates CD4 + T cell lymphopenia and dysfunction in severe COVID-19 disease.

BACKGROUND: Pulmonary hypertension (PH) is a common complication of systemic sclerosis (SSc) and a leading cause of mortality among patients with this disease. PH can also occur as an idiopathic condition (idiopathic pulmonary arterial hypertension). Investigation of transcriptomic alterations in vascular populations is critical to elucidating cellular mechanisms underlying pathobiology of SSc-associated and idiopathic PH. METHODS: We analyzed single-cell RNA sequencing profiles of endothelial and perivascular mesenchymal populations from explanted lung tissue of patients with SSc-associated PH (n=16), idiopathic pulmonary arterial hypertension (n=3), and healthy controls (n=15). Findings were validated by immunofluorescence staining of explanted human lung tissue. RESULTS: Three disease-associated endothelial populations emerged. Two angiogenic endothelial cell (EC) subtypes markedly expanded in SSc-associated PH lungs: tip ECs expressing canonical tip markers PGF and APLN and phalanx ECs expressing genes associated with vascular development, endothelial barrier integrity, and Notch signaling. Gene regulatory network analysis suggested enrichment of Smad1 (SMAD family member 1) and PPAR-γ (peroxisome proliferator-activated receptor-γ) regulon activities in these 2 populations, respectively. Mapping of potential ligand-receptor interactions highlighted Notch, apelin-APJ (apelin receptor), and angiopoietin-Tie (tyrosine kinase with immunoglobulin-like and EGF-like domains 1) signaling pathways between angiogenic ECs and perivascular cells. Transitional cells, expressing both endothelial and pericyte/smooth muscle cell markers, provided evidence for the presence of endothelial-to-mesenchymal transition. Transcriptional programs associated with arterial endothelial dysfunction implicated VEGF-A (vascular endothelial growth factor-A), TGF-β1 (transforming growth factor beta-1), angiotensin, and TNFSF12 (tumor necrosis factor ligand superfamily member 12)/TWEAK (TNF-related weak inducer of apoptosis) in the injury/remodeling phenotype of PH arterial ECs. CONCLUSIONS: These data provide high-resolution insights into the complexity and plasticity of the pulmonary endothelium in SSc-associated PH and idiopathic pulmonary arterial hypertension and provide direct molecular insights into soluble mediators and transcription factors driving PH vasculopathy.

Abstract Objective Pulmonary hypertension (PH) is a cardiopulmonary disease manifesting in increased pulmonary arterial pressure and right ventricular dysfunction. PH pathogenesis involves extensive pulmonary vascular remodeling precipitated, at least in part, by endothelial reprogramming. Mounting evidence points to endothelial-to-mesenchymal transition (EndMT) as an important potentiator of endothelial reprogramming in PH, yet progress in dissecting these processes remains limited. Approach and Results Lung samples from pulmonary arterial hypertension (PAH) patients and two rodent models of PH were used. Expression of the scaffolding protein ezrin-radixin-moesin-binding phosphoprotein 50 (EBP50, or NHERF1) was downregulated in PAH patient pulmonary arteries and isolated pulmonary arterial endothelial cells (PAECs), and in PH animal lung tissue and mouse isolated PAECs. In human PAECs in vitro, EBP50 was downregulated by PH-relevant stimuli, hypoxia and proinflammatory cytokine interleukin-1 beta (IL-1β). Phenocopy of EBP50 reduction in PAECs time-dependently increased expression and nuclear abundance of EndMT transcription factors Snail and Zeb1, and potentiated hypoxia-driven upregulation of Slug. Loss of EBP50 also drove expression of mesenchymal markers S100A4, fibronectin, N-cadherin, and transgelin (SM22), and inhibited cell proliferation and barrier function. In vivo studies on female EBP50 +/- mice demonstrated that downregulation of EBP50 exacerbated the chronic hypoxia-induced rise in RV maximum pressure. Conclusions These data identify EBP50 as a key regulator of EndMT in PH whose expression is downregulated in PH patient pulmonary endothelium and whose partial deletion exacerbates PH disease manifestations in rodents, opening doors for future therapeutic strategies to target EBP50 restoration to reverse PH.

Abstract In idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) myofibroblasts are key effectors of fibrosis and architectural distortion by excessive deposition of extracellular matrix and their acquired contractile capacity. Single-cell RNA-sequencing has precisely defined the IPF myofibroblast transcriptome, but identifying critical transcription factor activity by this approach is imprecise. We performed and integrated snATAC-seq and scRNA-seq from human IPF and donor control explants to identify differentially accessible chromatin regions and enriched transcription factor motifs within lung cell populations. TWIST1 and other E-box transcription factor motifs were significantly enriched in IPF myofibroblasts compared to both IPF non-myogenic and control fibroblasts. TWIST1 expression was also selectively upregulated in IPF myofibroblasts. Overexpression of Twist1 in lung COL1A2-expressing fibroblasts in bleomycin-injured mice was associated with increased collagen synthesis. Our studies utilizing human multiomic single-cell analyses combined with in vivo murine disease models confirm a critical regulatory function for TWIST1 in IPF myofibroblast activity in the fibrotic lung. Understanding the global process of opening TWIST1 and other E-box TF motifs that govern myofibroblast differentiation may identify new therapeutic interventions for fibrotic pulmonary diseases.

Abstract Signaling via G protein-coupled receptors (GPCRs) can modulate levels of cyclic adenosine monophosphate (cAMP) and shape the functions of fibroblasts in idiopathic pulmonary fibrosis (IPF). We have identified Chemokine (C-X-C) Motif Ligand 6 (CXCL6) as a potential pro-fibrotic GPCR ligand. We tested the function of CXCL6 in ex vivo human donor and fibrotic lung fibroblasts and in an animal model of pulmonary fibrosis. We also measured levels of CXCL6 in the blood and bronchoalveolar lavage (BAL) of patients with IPF. CXCL6 decreased cAMP levels in a dose-dependent manner in Donor and IPF Fibroblasts. CXCL6 mRNA and protein were localized to epithelial cells. Administration of mCXCL5 (LIX, murine CXCL6 homologue) to mice increased collagen synthesis with and without bleomycin. CXCL6 increased Collagen I and α-SMA levels in Donor and IPF Fibroblasts. Silencing of CXCR1/2 as well as Reparixin, a CXCR1/2 inhibitor, blocked effects of CXCL6. Treprostinil blocked effects of CXCL6 only on levels of α-SMA but not on Collagen I. CXCL6 levels in the BAL of two separate cohorts of patients with IPF was associated with poor survival. We conclude that high CXCL6 drives fibroblast function and correlates with poor outcomes in IPF.

Abstract The extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2) cascade promotes cardiomyocyte hypertrophy and is cardioprotective, with the three RAF kinases forming a node for signal integration. Our aims were to determine if BRAF is relevant for human heart failure, if BRAF promotes cardiomyocyte hypertrophy, and if Type 1 RAF inhibitors developed for cancer (that paradoxically activate ERK1/2 at low concentrations: the “RAF paradox”) may have the same effect. BRAF was upregulated in heart samples from patients with heart failure compared with normal controls. We assessed the effects of activated BRAF in the heart using mice with tamoxifen-activated Cre for cardiomyocyte-specific knock-in of the activating V600E mutation into the endogenous gene. We used echocardiography to measure cardiac dimensions/function. Cardiomyocyte BRAF V600E induced cardiac hypertrophy within 10 d, resulting in increased ejection fraction and fractional shortening over 6 weeks. This was associated with increased cardiomyocyte size without significant fibrosis, consistent with compensated hypertrophy. The experimental Type 1 RAF inhibitor, SB590885, and/or encorafenib (a RAF inhibitor used clinically) increased ERK1/2 phosphorylation in cardiomyocytes, and promoted hypertrophy, consistent with a “RAF paradox” effect. Both promoted cardiac hypertrophy in mouse hearts in vivo , with increased cardiomyocyte size and no overt fibrosis. In conclusion, BRAF potentially plays an important role in human failing hearts, activation of BRAF is sufficient to induce hypertrophy, and Type 1 RAF inhibitors promote hypertrophy via the “RAF paradox”. Cardiac hypertrophy resulting from these interventions was not associated with pathological features, suggesting that Type 1 RAF inhibitors may be useful to boost cardiomyocyte function.

ABSTRACT Reversible lysine acetylation regulates the activity of cardiac metabolic enzymes, including those controlling fuel substrate metabolism. Mitochondrial-targeted GCN5L1 and SIRT3 have been shown to regulate the acetylation status of mitochondrial enzymes, which results in alterations to the relative oxidation rates of fatty acids, glucose, and other fuels for contractile activity. However, the role that lysine acetylation plays in driving metabolic differences between male and female hearts is not currently known. In this study, we report that estrogens induce the expression of GCN5L1 via GPER agonism in cardiac cells, which increases the enzymatic activity and acetylation status of the fatty acid oxidation enzyme medium chain acyl-CoA dehydrogenase (MCAD).