Abstract Secretory cells are major structural and functional constituents of the lung airways. Their spatial organization and specification mechanisms are partially understood. Here, we labelled major secretory airway cell types and analysed them at single-cell resolution. We found opposing, partially overlapping gene-expression gradients along the proximal-distal airway axis superimposed on a general gene program encoding detoxification. One graded program is elevated proximally and relates to innate immunity, whereas the other is enriched distally, encoding lipid metabolism and antigen presentation. Intermediately positioned cells express low levels of both graded programs and show increased clonogenic potency in vitro, relating cell-plasticity to location in each branch. Single-cell RNA-sequencing following lineage-tracing revealed the sequential and postnatal establishment of the gradients in common epithelial progenitors. Fgfr2b is distally enriched and its postnatal inactivation reduces distal gene expression and expands proximal genes into distally located cells. This suggests a central role of FGFR-signaling in tissue-scale airway patterning.

Changes in cell identities and positions underlie tissue development and disease progression. Although, single-cell mRNA sequencing (scRNA-Seq) methods rapidly generate extensive lists of cell-states, spatially resolved single-cell mapping presents a challenging task. We developed SCRINSHOT ( S ingle C ell R esolution IN S itu H ybridization O n T issues), a sensitive, multiplex RNA mapping approach. Direct hybridization of padlock probes on mRNA is followed by circularization with SplintR ligase and rolling circle amplification (RCA) of the hybridized padlock probes. Sequential detection of RCA-products using fluorophore-labeled oligonucleotides profiles thousands of cells in tissue sections. We evaluated SCRINSHOT specificity and sensitivity on murine and human organs. SCRINSHOT quantification of marker gene expression shows high correlation with published scRNA-Seq data over a broad range of gene expression levels. We demonstrate the utility of SCRISHOT by mapping the locations of abundant and rare cell types along the murine airways. The amenability, multiplexity and quantitative qualities of SCRINSHOT facilitate single cell mRNA profiling of cell-state alterations in tissues under a variety of native and experimental conditions.

Abstract The tracheal epithelium is a primary target for pulmonary diseases as it provides a conduit for air flow between the environment and the lung lobes. The cellular and molecular mechanisms underlying airway epithelial cell proliferation and differentiation remain poorly understood. Hedgehog (Hh) signaling orchestrates communication between epithelial and mesenchymal cells in the lung, where it modulates stromal cell proliferation, differentiation and signaling back to the epithelium. Here, we reveal a new, autocrine function of Hh signaling in airway epithelial cells. Epithelial cell depletion of the ligand Sonic hedgehog (SHH) or its effector Smoothened (SMO) causes defects in both epithelial cell proliferation and differentiation. In cultured primary human airway epithelial cells, Hh signaling inhibition also hampers cell proliferation and differentiation. Epithelial Hh function is mediated, at least in part, through transcriptional activation as Hh signaling inhibition leads to downregulation of cell-type specific transcription factor genes in both the mouse trachea and human airway epithelial cells. These results provide new insights into the role of Hh signaling in epithelial cell proliferation and differentiation during airway development.

Mucus hypersecretion and mucus obstruction are pathogenic features in many chronic lung diseases directly linked to disease severity, exacerbation, progression, and mortality. The Jagged-1/Notch pathway is a promising therapeutic target that regulates secretory and ciliated cell trans-differentiation in the lung. However, the Notch pathway is also required in various other organs. Hence, pulmonary delivery of therapeutic agents is a promising approach to target this pathway while minimizing systemic exposure. Using Anticalin® technology, Jagged-1 Anticalin binding proteins were generated and engineered to potent and selective inhalable Jagged-1 antagonists. Their therapeutic potential to reduce airway mucus hyperproduction and obstruction was investigated ex vivo and in vivo. In primary airway cell cultures grown at air-liquid interface and stimulated with inflammatory cytokines, Jagged-1 Anticalin binding proteins reduced both mucin gene expression and mucous cell metaplasia. In vivo, prophylactic and therapeutic treatment with a pulmonary-delivered Jagged-1 Anticalin binding protein reduced mucous cell metaplasia, epithelial thickening and airway mucus hyperproduction in IL-13 and house dust mite allergen-challenged mice, respectively. Further, in a transgenic mouse model with pathophysiologic features of cystic fibrosis and COPD, pulmonary-delivered Jagged-1 Anticalin binding protein reduced hallmarks of airway mucus obstruction. In all in vivo models a reduction of mucous cells with a concomitant increase of ciliated cells was observed. Collectively, these findings support Jagged-1 antagonists' therapeutic potential for patients with muco-obstructive lung diseases, and the feasibility of targeting the Jagged-1/Notch pathway by inhalation.