There is pressing urgency to understand the pathogenesis of the severe acute respiratory syndrome coronavirus clade 2 (SARS-CoV-2), which causes the disease COVID-19. SARS-CoV-2 spike (S) protein binds angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), and in concert with host proteases, principally transmembrane serine protease 2 (TMPRSS2), promotes cellular entry. The cell subsets targeted by SARS-CoV-2 in host tissues and the factors that regulate ACE2 expression remain unknown. Here, we leverage human, non-human primate, and mouse single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) datasets across health and disease to uncover putative targets of SARS-CoV-2 among tissue-resident cell subsets. We identify ACE2 and TMPRSS2 co-expressing cells within lung type II pneumocytes, ileal absorptive enterocytes, and nasal goblet secretory cells. Strikingly, we discovered that ACE2 is a human interferon-stimulated gene (ISG) in vitro using airway epithelial cells and extend our findings to in vivo viral infections. Our data suggest that SARS-CoV-2 could exploit species-specific interferon-driven upregulation of ACE2, a tissue-protective mediator during lung injury, to enhance infection.

Chimeric antigen receptor (CAR) T-cell immunotherapy has revolutionized the treatment of refractory leukemias and lymphomas, but is associated with significant toxicities, namely cytokine release syndrome (CRS) and neurotoxicity. A major barrier to developing therapeutics to prevent CAR T cell–mediated neurotoxicity is the lack of clinically relevant models. Accordingly, we developed a rhesus macaque (RM) model of neurotoxicity via adoptive transfer of autologous CD20-specific CAR T cells. Following cyclophosphamide lymphodepletion, CD20 CAR T cells expand to 272 to 4,450 cells/μL after 7 to 8 days and elicit CRS and neurotoxicity. Toxicities are associated with elevated serum IL6, IL8, IL1RA, MIG, and I-TAC levels, and disproportionately high cerebrospinal fluid (CSF) IL6, IL2, GM-CSF, and VEGF levels. During neurotoxicity, both CD20 CAR and non-CAR T cells accumulate in the CSF and in the brain parenchyma. This RM model demonstrates that CAR T cell–mediated neurotoxicity is associated with proinflammatory CSF cytokines and a pan–T cell encephalitis.

Abstract Notch signaling promotes T-cell pathogenicity and graft-versus-host disease (GVHD) after allogeneic hematopoietic cell transplantation (allo-HCT) in mice, with a dominant role for the Delta-like ligand DLL4. To assess if Notch’s effects are evolutionarily conserved and identify key mechanisms, we studied antibody-mediated DLL4 blockade in a non-human primate model similar to human allo-HCT. Short-term DLL4 blockade improved post-transplant survival with striking, durable protection from gastrointestinal GVHD, out of proportion to other disease sites. Unlike prior immunosuppressive strategies, anti-DLL4 interfered with a T-cell transcriptional program associated with intestinal infiltration. In cross-species investigations, Notch inhibition decreased surface abundance of the gut-homing integrin a4b7 in conventional T-cells via b1 competition for a4 binding, while preserving a4b7 in regulatory T-cells. Thereby, DLL4/Notch blockade decreased effector T-cell infiltration into the gut, with increased regulatory to conventional T-cell ratios early after allo-HCT. Our results identify a conserved, biologically unique and targetable role of DLL4/Notch signaling in GVHD. One Sentence Summary Notch signaling promotes pathogenic effector T cell infiltration of the intestine during acute graft-versus-host disease.

ABSTRACT One of the central challenges in the field of allo-immunity is deciphering the mechanisms driving T cells to infiltrate and subsequently occupy target organs to cause disease. The act of CD8-dominated T cell infiltration is critical to acute graft-versus-host disease (aGVHD), wherein donor T cells become activated, tissue-infiltrating and highly cytotoxic, causing wide-spread tissue damage after allogeneic hematopoietic stem cell transplant (allo-HCT). However, in human and non-human primate studies, deconvolving the transcriptional programs of newly recruited relative to resident memory T cells in the gastrointestinal (GI) tract has remained a challenge. In this study, we combined the novel technique of Serial Intravascular Staining (SIVS) with single-cell RNA-Seq (scRNA-seq) to enable detailed dissection of the tightly connected processes by which T cells first infiltrate tissues and then establish a pathogenic tissue residency program after allo-HCT in non-human primates. Our results have enabled the creation of a spatiotemporal map of the transcriptional drivers of CD8 T cell infiltration into the primary aGVHD target-organ, the GI tract. We identify the large and small intestines as the only two sites demonstrating allo-specific, rather than lymphdepletion-driven T cell infiltration. The donor CD8 T cells that infiltrate the GI tract demonstrate a highly activated, cytotoxic phenotype while simultaneously rapidly developing canonical tissue-resident memory (T RM ) protein expression and transcriptional signatures, driven by IL-15/IL-21 signaling. Moreover, by combining SIVS and transcriptomic analysis, we have been able to work backwards from this pathogenic T RM programing, and, for the first time, identify a cluster of genes directly associated with tissue invasiveness, prominently including specific chemokines and adhesion molecules and their receptors, as well as a central cytoskeletal transcriptional node. The clinical relevance of this new tissue invasion signature was validated by its ability to discriminate the CD8 T cell transcriptome of patients with GI aGVHD. These results provide new insights into the mechanisms controlling tissue infiltration and pathogenic CD8 T RM transcriptional programing, uncovering critical transitions in allo-immune tissue invasion and destruction. One sentence summary Flow cytometric and transcriptomic analysis reveals coordinated tissue-infiltration and tissue-residency programs driving gastrointestinal aGVHD.