Coronavirus disease 2019 (COVID-19) is a mild to moderate respiratory tract infection, however, a subset of patients progress to severe disease and respiratory failure. The mechanism of protective immunity in mild forms and the pathogenesis of severe COVID-19 associated with increased neutrophil counts and dysregulated immune responses remain unclear. In a dual-center, two-cohort study, we combined single-cell RNA-sequencing and single-cell proteomics of whole-blood and peripheral-blood mononuclear cells to determine changes in immune cell composition and activation in mild versus severe COVID-19 (242 samples from 109 individuals) over time. HLA-DRhiCD11chi inflammatory monocytes with an interferon-stimulated gene signature were elevated in mild COVID-19. Severe COVID-19 was marked by occurrence of neutrophil precursors, as evidence of emergency myelopoiesis, dysfunctional mature neutrophils, and HLA-DRlo monocytes. Our study provides detailed insights into the systemic immune response to SARS-CoV-2 infection and reveals profound alterations in the myeloid cell compartment associated with severe COVID-19.

Abstract The pandemic COVID-19 has spread to all over the world and greatly threatens safety and health of people. COVID-19 is highly infectious and with high mortality rate. As no effective antiviral treatment is currently available, new drugs are urgently needed. We employed transcriptional analysis to uncover potential antiviral drugs from natural products or FDA approved drugs. We found liquiritin significantly inhibit replication of SARS-CoV-2 in Vero E6 cells with EC 50 = 2.39 μM. Mechanistically, we found liquiritin exerts anti-viral function by mimicking type I interferon. Upregulated genes induced by liquiritin are enriched in GO categories including type I interferon signaling pathway, negative regulation of viral genome replication and etc. In toxicity experiment, no death was observed when treated at dose of 300 mg/kg for a week in ICR mice. All the organ indexes but liver and serum biochemical indexes were normal after treatment. Liquiritin is abundant in licorice tablet (~0.2% by mass), a traditional Chinese medicine. Together, we recommend liquiritin as a competitive candidate for treating COVID-19. We also expect liquiritin to have a broad and potent antiviral function to other viral pathogens, like HBV, HIV and etc.

Abstract The clinical course of COVID-19 is variable and often unpredictable. To test the hypothesis that disease progression and inflammatory responses associate with alterations in the microbiome and metabolome, we analyzed metagenome, metabolome, cytokine, and transcriptome profiles of repeated samples from hospitalized COVID-19 patients and uninfected controls, and leveraged clinical information and post-hoc confounder analysis. Severe COVID-19 was associated with a depletion of beneficial intestinal microbes, whereas oropharyngeal microbiota disturbance was mainly linked to antibiotic use. COVID-19 severity was also associated with enhanced plasma concentrations of kynurenine and reduced levels of several other tryptophan metabolites, lysophosphatidylcholines, and secondary bile acids. Moreover, reduced concentrations of various tryptophan metabolites were associated with depletion of Faecalibacterium , and tryptophan decrease and kynurenine increase were linked to enhanced production of inflammatory cytokines. Collectively, our study identifies correlated microbiome and metabolome alterations as a potential contributor to inflammatory dysregulation in severe COVID-19.

Abstract The clinical course of the 2019 coronavirus disease (COVID-19) is variable and to a substantial degree still unpredictable, especially in persons who have neither been vaccinated nor recovered from previous infection. We hypothesized that disease progression and inflammatory responses were associated with alterations in the microbiome and metabolome. To test this, we integrated metagenome, metabolome, cytokine, and transcriptome profiles of longitudinally collected samples from hospitalized COVID-19 patients at the beginning of the pandemic (before vaccines or variants of concern) and non-infected controls, and leveraged detailed clinical information and post-hoc confounder analysis to identify robust within- and cross-omics associations. Severe COVID-19 was directly associated with a depletion of potentially beneficial intestinal microbes mainly belonging to Clostridiales, whereas oropharyngeal microbiota disturbance appeared to be mainly driven by antibiotic use. COVID-19 severity was also associated with enhanced plasma concentrations of kynurenine, and reduced levels of various other tryptophan metabolites, lysophosphatidylcholines, and secondary bile acids. Decreased abundance of Clostridiales potentially mediated the observed reduction in 5-hydroxytryptophan levels. Moreover, altered plasma levels of various tryptophan metabolites and lower abundances of Clostridiales explained significant increases in the production of IL-6, IFNγ and/or TNFα. Collectively, our study identifies correlated microbiome and metabolome alterations as a potential contributor to inflammatory dysregulation in severe COVID-19. Graphical Abstract

Multiplexed single-cell experiment designs are superior in terms of reduced batch effects, increased cost-effectiveness, throughput and statistical power. However, current computational strategies using genetics to demultiplex single-cell (sc) libraries are limited when applied to single-nuclei (sn) sequencing data (e.g., snATAC-seq and snMultiome). Here, we present CellDemux: a computational framework for genetic demultiplexing within and across data modalities, including single-cell, single-nuclei and paired snMultiome measurements. CellDemux uses a consensus approach, leveraging modality-specific tools to robustly identify non-empty oil droplets and singlets, which are subsequently demultiplexed to donors. Notable, CellDemux demonstrates good performance in demultiplexing snMultiome data and is generalizable to single modalities, i.e. snATAC-seq and sc/snRNA-seq libraries. We benchmark CellDemux on 187 genetically multiplexed libraries from 800 samples (scRNA-seq, snATAC-seq, CITE-seq and snMultiome), confidently identifying and assigning cells to 88% of donors. In paired snMultiome libraries, CellDemux achieves consistent demultiplexing across data modalities. Moreover, analysis of 38 snATAC libraries from 149 samples shows that CellDemux retains more genetically demultiplexed nuclei for downstream analyses compared to existing methods. In summary, CellDemux is a modular and robust framework that deconvolves donors from genetically multiplexed single-cell and single-nuclei RNA/ATAC/Multiome libraries.

Abstract Mucus injury associated with goblet cell (GC) depletion constitutes an early event in inflammatory bowel disease (IBD). Using single-cell sequencing to detect critical events in mucus dysfunction, we discover that the Kazal-type serine protease inhibitor SPINK4 is dynamically regulated in colitic intestine in parallel with disease activities. Under chemically induced colitic conditions, the grim status in Spink4 -conditional knockout mice is successfully rescued by recombinant murine SPINK4. Notably, its therapeutic potential is synergistic with existing TNF-α inhibitor infliximab in colitis treatment. Mechanistically, SPINK4 promotes GC differentiation using a Kazal-like motif to modulate EGFR-Wnt/β-catenin and -Hippo pathways. Microbiota-derived diacylated lipoprotein Pam2CSK4 triggers SPINK4 production. We also show that monitoring SPINK4 in circulation is a reliable noninvasive technique to distinguish IBD patients from healthy controls and assess disease activity. Thus, SPINK4 serves as a serologic biomarker of IBD and has therapeutic potential for colitis via intrinsic EGFR activation in intestinal homeostasis.